威斯康星大学Nature：能同时具有铁电性与超导性的双层Td-MoTe2材料

一、【导读】

在凝聚态物理领域，实现量子相的静电调控是极具研究前景的前沿方向。近期的一些研究表明，通过静电掺杂可以在扭转石墨烯异质结和二维半金属（如WTe₂）中实现超导可调性。这些体系中，有一些具有导致铁电性的极性晶体结构，通过外加电场可以驱动层间极化产生双稳态。这些铁电二维（2D）范德华层状异质结的空间反演对称性破缺通常来自于材料固有特性或由异质结工程产生。众所周知， BaTiO₃等传统铁电体源于长程库仑相互作用，而2D材料的铁电性则是由层间滑移和反演对称性破缺产生的较小偶极矩之间的相互作用所致。因此，菱面体堆垛的双层过渡金属二卤化物和正交堆垛的双层T_d-WTe₂材料也展示出潜在的铁电性。由于二维铁电结构是原子级厚度，因此，其面内金属态与面的极化可兼容。

那么，能否实现铁电对超导的调控呢？

二、【成果掠影】

美国哥伦比亚大学Abhay N. Pasupathy联合威斯康星大学麦迪逊分校的Daniel A. Rhodes教授展示了双层T_d-MoTe₂材料能够同时表现出铁电反转和超导性。值得注意的是，在其铁电相变中观察到了场驱动的一级超导-正常相转变。同时作为载流子密度和温度的函数，双层T_d-MoTe₂的超导转变温度(T_c)也具有最大值，从而可以作为掺杂和极化的函数独立控制超导态。这项研究表明，T_c最大值与补偿电子和空穴载流子密度有关，当其中一个费米口袋随掺杂而消失时，最大T_c也随之消失。作者认为这种不寻常的极化敏感二维超导体是由与近嵌套电子和空穴费米口袋相关的带间对相互作用驱动的。相关成果以“Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer T_d-MoTe₂”发表在Nature上。

三、【核心创新点】

在双层T_d-MoTe₂中实现了能同时表现出铁电反转和超导性的新物理

四、【数据概览】

图1 双分子层T_d-MoTe₂的电子性能 ©2023 Springer Nature

a，双门控器件原理图。b, DFT计算了双分子层MoTe₂的电子能带结构。c，霍尔电阻的演变。d，双分子层MoTe₂的本向(Δn = 0)非饱和磁电阻(MR)。e， Δn = 0时双分子层MoTe₂的超导跃迁。f，施加位移场的双层MoTe₂铁电反转。

图2 双分子层T_d-MoTe₂的铁电性和超导性耦合 ©2023 Springer Nature

a，具有双稳态正态和超导态的蝴蝶环，表明铁电态和超导态耦合。b, 在固定载流子密度下超导态和正常态之间的可逆反转。c，Δn = 1.5 × 10¹³ cm⁻²处铁电和超导耦合行为的温度演化。d， 位移场扫描方向之间的电阻差显示了8 K时铁电性区域及其随掺杂的演变。e，在1.5 K时，突出显示超导区域

图3 掺杂依赖的双层T_d-MoTe₂超导性 ©2023 Springer Nature

a，具有静电掺杂和温度的超导圆顶的演变。b, 载流子浓度作为Δn的函数，通过拟合霍尔电阻的双波段模型提取。c，固定掺杂下霍尔电阻的演化。d， 从双带模型提取的载流子浓度到霍尔数据

图4 MoTe₂中的费米表面嵌套和超导性 ©2023 Springer Nature

a，单层MoTe₂含嵌套向量的费米曲面。b, 单层MoTe₂的林德磁化率值。c，对应于费米面上电子空穴袋的带间嵌套向量。d，DFT计算双分子层MoTe₂的费米表面。e，双分子层MoTe₂的λ_max值。f，λ_max作为掺杂的函数。

五、【成果启示】

本研究在双层MoTe₂铁电体系中发现了一个可调谐的T_c，这也体现出这种材料是一个很有前途的平台，即可以通过掺杂和位移场两个独立且高度精确的控制不寻常类型的二维超导。此外，利用与晶格耦合的超快电磁激励来控制这些性质也是一个吸引人的前景。

原文详情：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

本文由春国供稿。