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研究背景

隨著對低維材料及其相關現象的研究不斷深入，Moiré材料因其獨特的電子特性和潛在的應用前景而引起了廣泛關注。Moiré材料通過周期性堆疊形成的平帶電子結構，使得強關聯效應得以顯現，進而激發出多種量子相態，包括超導性、Mott絕緣體等。然而，盡管在石墨烯Moiré材料中觀察到了超導現象，在其他Moiré材料（如過渡金屬二硫屬化合物）中，穩定的超導性依然是一個未解之謎，這對我們理解平帶中的超導機制提出了挑戰。

此前的研究雖然探討了TMD Moiré材料中的電子關聯現象，并發現了Mott絕緣體和Wigner晶體等態，但對其超導性卻缺乏深入理解。一項早期研究曾報道通過摻雜手段在扭曲雙層二硒化鎢（tWSe₂）中發現了超導態，但該態在熱循環中表現出不穩定性，進一步限制了我們對TMD Moiré材料中超導現象的理解。

成果簡介

為了解決這一問題，美國康奈爾大學Yiyu Xia, Zhongdong Han，Jie Shan & Kin Fai Mak等在Nature期刊上發表了題為“Superconductivity in twisted bilayer WSe₂”的最新論文。科學家們開展了關于AA堆疊的3.5°和3.65° tWSe₂的電傳輸研究。研究發現，在接近半帶填充和零外部位移場的條件下，tWSe₂中出現了穩定的超導性。

該超導轉變溫度約為200 mK，占有效費米溫度的1-2%，與高溫超導體的表現相似。這一發現不僅展示了TMD Moiré材料中的強電子關聯效應，還表明超導性可能與庫侖誘導的電荷局域化邊緣相接近，暗示超導狀態的形成與強關聯效應密切相關。

資料顯示，本文的第一作者是南瑞集團有限公司Yiyu Xia；此外，第二作者Zhongdong Han是北京大學校友，并且以上兩人均為本文的通訊作者！

研究亮點

1. 實驗首次觀察到在3.5°和3.65°扭曲雙層二硒化鎢（tWSe₂）中出現穩定的超導性，表明該材料在Moiré結構中具有強電子關聯特性。

2. 實驗通過電傳輸研究，發現超導性在接近半帶填充和零外部位移場時顯現。最優超導轉變溫度約為200 mK，相當于有效費米溫度的1-2%，提示強電子配對機制的存在。

3. 研究表明該超導體在低于和高于半帶填充時分別表現為兩種不同的金屬態，通過調節外部位移場可以實現從超導態向關聯絕緣態的連續過渡。

4. 此外，所觀察到的超導性位于庫侖誘導的電荷局域化的邊緣，進一步支持了強電子關聯的根源。該結果為探索TMD Moiré材料中的超導性和相關物理現象提供了新的視角。

圖文解讀

圖1: 轉角硒化鎢tWSe₂的電子結構。

圖2: 半帶填充周圍的零電阻區。

圖3: 半帶填充時的超導電性。

圖4: 超導態的摻雜依賴性。

圖5: 超導體到絕緣體的轉變。

結論展望

本文的研究為理解強電子相關性驅動的非常規超導性提供了新的視角，尤其是在扭轉雙層WSe₂（tWSe₂）系統中觀察到的超導狀態。首先，超導性僅在層間混合的區域出現，表明量子幾何在超導機制中可能扮演重要角色。這為探索拓撲材料中的超導現象開辟了新路徑。其次，超導體的正常態是一個強相關金屬，這種狀態在ν=1附近與其他金屬態相連，而不是像石墨烯中的情況那樣通過摻雜相關絕緣體來實現超導。這一發現強調了不同材料體系中超導現象的獨特性。此外，研究還表明，超導相位與非常規金屬態的相互作用復雜，且在強配對極限下具有顯著的轉變溫度與特征長度。

文獻信息

Xia, Y., Han, Z., Watanabe, K. et al. Superconductivity in twisted bilayer WSe₂.?Nature?(2024).

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