威斯康星大學Nature：能同時具有鐵電性與超導性的雙層Td-MoTe2材料

一、【導讀】

在凝聚態物理領域，實現量子相的靜電調控是極具研究前景的前沿方向。近期的一些研究表明，通過靜電摻雜可以在扭轉石墨烯異質結和二維半金屬（如WTe₂）中實現超導可調性。這些體系中，有一些具有導致鐵電性的極性晶體結構，通過外加電場可以驅動層間極化產生雙穩態。這些鐵電二維（2D）范德華層狀異質結的空間反演對稱性破缺通常來自于材料固有特性或由異質結工程產生。眾所周知， BaTiO₃等傳統鐵電體源于長程庫侖相互作用，而2D材料的鐵電性則是由層間滑移和反演對稱性破缺產生的較小偶極矩之間的相互作用所致。因此，菱面體堆垛的雙層過渡金屬二鹵化物和正交堆垛的雙層T_d-WTe₂材料也展示出潛在的鐵電性。由于二維鐵電結構是原子級厚度，因此，其面內金屬態與面的極化可兼容。

那么，能否實現鐵電對超導的調控呢？

二、【成果掠影】

美國哥倫比亞大學Abhay N. Pasupathy聯合威斯康星大學麥迪遜分校的Daniel A. Rhodes教授展示了雙層T_d-MoTe₂材料能夠同時表現出鐵電反轉和超導性。值得注意的是，在其鐵電相變中觀察到了場驅動的一級超導-正常相轉變。同時作為載流子密度和溫度的函數，雙層T_d-MoTe₂的超導轉變溫度(T_c)也具有最大值，從而可以作為摻雜和極化的函數獨立控制超導態。這項研究表明，T_c最大值與補償電子和空穴載流子密度有關，當其中一個費米口袋隨摻雜而消失時，最大T_c也隨之消失。作者認為這種不尋常的極化敏感二維超導體是由與近嵌套電子和空穴費米口袋相關的帶間對相互作用驅動的。相關成果以“Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer T_d-MoTe₂”發表在Nature上。

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三、【核心創新點】

在雙層T_d-MoTe₂中實現了能同時表現出鐵電反轉和超導性的新物理

四、【數據概覽】

圖1 雙分子層T_d-MoTe₂的電子性能 ?2023 Springer Nature

a，雙門控器件原理圖。b, DFT計算了雙分子層MoTe₂的電子能帶結構。c，霍爾電阻的演變。d，雙分子層MoTe₂的本向(Δn = 0)非飽和磁電阻(MR)。e， Δn = 0時雙分子層MoTe₂的超導躍遷。f，施加位移場的雙層MoTe₂鐵電反轉。

圖2 雙分子層T_d-MoTe₂的鐵電性和超導性耦合 ?2023 Springer Nature

a，具有雙穩態正態和超導態的蝴蝶環，表明鐵電態和超導態耦合。b, 在固定載流子密度下超導態和正常態之間的可逆反轉。c，Δn = 1.5 × 10¹³ cm^?2處鐵電和超導耦合行為的溫度演化。d， 位移場掃描方向之間的電阻差顯示了8 K時鐵電性區域及其隨摻雜的演變。e，在1.5 K時，突出顯示超導區域

圖3 摻雜依賴的雙層T_d-MoTe₂超導性 ?2023 Springer Nature

a，具有靜電摻雜和溫度的超導圓頂的演變。b, 載流子濃度作為Δn的函數，通過擬合霍爾電阻的雙波段模型提取。c，固定摻雜下霍爾電阻的演化。d， 從雙帶模型提取的載流子濃度到霍爾數據

圖4 MoTe₂中的費米表面嵌套和超導性 ?2023 Springer Nature

a，單層MoTe₂含嵌套向量的費米曲面。b, 單層MoTe₂的林德磁化率值。c，對應于費米面上電子空穴袋的帶間嵌套向量。d，DFT計算雙分子層MoTe₂的費米表面。e，雙分子層MoTe₂的λ_max值。f，λ_max作為摻雜的函數。

五、【成果啟示】

本研究在雙層MoTe₂鐵電體系中發現了一個可調諧的T_c，這也體現出這種材料是一個很有前途的平臺，即可以通過摻雜和位移場兩個獨立且高度精確的控制不尋常類型的二維超導。此外，利用與晶格耦合的超快電磁激勵來控制這些性質也是一個吸引人的前景。

原文詳情：Jindal, A., Saha, A., Li, Z. et al. Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer T_d-MoTe₂. Nature 613, 48–52 (2023). ?https://doi.org/10.1038/s41586-022-05521-3

本文由春國供稿。