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高温超导，2025年首篇Nature！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-23 07:44

正文

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在扭曲双层和三层石墨烯中发现的超导性引起了极大的兴趣。

这些系统的关键特征是层间耦合和moiré超晶格之间的相互作用，这导致了具有强相关性的低能平坦带。

平面带也可以由其他二维材料（如过渡金属二硫族化合物（TMDs））的晶格不匹配和/或扭曲异质结构中的moiré模式诱导。

虽然在moiré TMDs中确实观察到了广泛的相关现象，但仍然没有关于超导性的强有力的证明。

在此，来自美国 哥伦比亚大学 的 Cory R. Dean 等研究者报道了 5.0°扭曲双层WSe ₂ 的超导性 ， 最高临界温度为426 mK 。相关论文以题为“ Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe ₂ ”于2025年01月22日发表在 Nature 上。

二维异质结构中的平带作为实现强关联电子态的一种方式，一直是研究的热点。

在扭曲石墨烯体系中，人们观察到了超导性、磁有序以及拓扑陈Chern带，这些现象通常出现在莫尔带的整齐填充比附近。

在晶体石墨烯中，例如菱形三层石墨烯和伯纳尔双层石墨烯，也观察到了超导性，其中范霍夫奇点（VHs）位于费米口袋拓扑转变的边界，产生了高态密度。

莫尔图案的过渡金属二硫化物（TMDs）同样可以容纳低能平带，并被证明是一种高度可调的体系，可支持多种奇异的关联相，包括Mott绝缘体、广义Wigner晶体态、整数与分数量子反常霍尔态以及磁有序。

理论研究表明，这类体系中也应该存在超导性，甚至可能表现出奇异的特性。

然而，目前尚未有明确的实验观测结果。这引发了一个问题：超导性是否是二维平带体系的普遍特性，还是石墨烯基结构中某种独特的特性在其中起到了关键作用。

在此，研究者报告了 在5.0°扭转角的双层WSe₂中观察到的超导性 。

在零位移场条件下，并未观察到相关行为；然而，当施加位移场并使莫尔带的范霍夫奇点接近半填充状态（每个莫尔晶胞一个空穴）时，一个稳定的超导局域区域出现在研究者认为与反铁磁（AFM）有序相关的电阻金属态旁边。

研究表明，超导态出现在位移场和密度与金属态相邻的有限区域内，费米表面重构被认为是由AFM序引起的。

在低温下，在超导相和磁相之间观察到一个尖锐的边界，这让人想起自旋涨落介导的超导。

该研究结果证实moiré平带超导性扩展到石墨烯结构之外。

石墨烯中不存在但TMDs中固有的材料特性，如固有带隙、大自旋轨道耦合、自旋谷锁定和磁性，为获得比纯石墨烯结构更广阔的超导参数空间提供了可能性。

图1 电子能带结构与超导口袋。

图2 tWSe ₂ 中的超导性。

图3 磁性和相图。

图4 超导边界的温度依赖性。

综上所述，在零位移场下，相关作用过于弱，实验温度范围内无法观察到超导性。

然而，在施加位移场后，范霍夫奇点的态密度增加，以及磁化率的增强，达到一个阈值后费米面发生重构，进入反铁磁（AFM）状态。

在AFM相附近的自旋涨落成为超导配对态的介质。这一解释能够说明为何超导性仅在接近AFM相时出现，并且与实验观察一致，即超导相的临界温度（ T _c ）在接近AFM相时升高，在AFM边界达到峰值后迅速消失。

最后，研究者注意到，这种行为与清洁极限下由自旋涨落提供配对机制的AFM重费米子系统的表现非常相似。

要全面理解在扭曲WSe₂（tWSe₂）中观察到的超导性及其具体机制，显然还需要进一步的实验和理论研究。

特别是，需要更深入地研究磁有序与超导态之间的相互作用，仅通过输运测量还无法确定这两种相态是协同、竞争、同时存在还是某种组合。

此外，如何研究相图随扭曲角的演化也是一个关键问题。

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