過渡金屬硫化物中伊辛超導電性研究獲系列新進展

　　二維層狀過渡金屬硫化物MX2（M代表Mo，Nb，W；X代表S，Se，Te）中的強自旋－軌道耦合作用與結構的多樣性賦予這類材料許多新奇的物理性質，如在少數層1Td相的WTe2中觀測到量子自旋霍爾效應，在少數層2H相的MoS2與NbSe2中觀測到伊辛超導電性等。這些發現使得MX2材料成為當前凝聚態物理學和材料科學研究的一個熱點。

　　通常BCS超導體的上臨界磁場是不會超過泡利順磁極限的，因為一旦超過這一極限，兩個自旋相反電子之間的s波配對就不能維持了。但在2H-MX2材料的晶體結構中，面內中心反演對稱性的破缺導致伊辛自旋－軌道耦合的出現。此時，庫伯對中電子的自旋方向會被釘扎在面外，使得面內的上臨界磁場可以遠超泡利極限，達到幾十甚至上百特斯拉。這種超導電性被稱為伊辛超導，其特有的性質為強磁場中超導電性的應用提供了新途徑。此外，最近有理論認為可以利用伊辛超導體來構造馬約拉納費米子，為拓撲量子計算研究提供新的實驗平臺。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室研究員呂力團隊近年來一直從事拓撲物態方面的研究。從2015年底，團隊成員、副研究員劉廣同開始關注利用二維過渡金屬硫化物開展拓撲超導研究。通過與新加坡南洋理工大學教授劉政（Zheng Liu）合作，近年來在高質量少數層MX2樣品的研究方面取得一系列進展，構建了這一材料家族生長、形貌、結構和物性數據的“圖書館”，相關成果先后發表在Adv. Mat. 29, 1603471 (2017)（被選為封面文章）、Nat. Commun. 8, 394 (2017)以及Nature 556, 355 (2018)上。

　　最近，他們在少數層高質量MoTe2樣品的物性研究方面又取得新進展，在Td相的MoTe2樣品中發現了一種由各向異性自旋－軌道耦合導致的新型伊辛超導體電性。與已經發現的面內各向同性的伊辛超導體不同，該新型超導體的面內上臨界磁場（Hc2,∥）呈現出顯著的兩度對稱性，并且在不同方向均超過泡利極限。這是在實驗上首次觀察到面內各向異性的伊辛超導電性。理論計算表明，這種現象的出現是由于Td相特殊的晶格對稱性誘導出了一種獨特的自旋－軌道耦合作用g=(gx,gy,gz)。一方面，x方向上面內的鏡面對稱破缺導致了面外的伊辛自旋－軌道耦合作用gz，使得研究人員觀測到了以往發現的伊辛超導的Hc2,∥增強現象。另一方面，面外鏡面對稱破缺導致了面內各相異性的自旋－軌道耦合作用（gx與gy）。這就是實驗上觀測到Hc2,∥面內兩度對稱性的原因。這一發現將有助于加深對過渡金屬硫化物中新奇超導現象的認識，有助于促進相關材料超導自旋電子學器件的應用研究。

　　該工作是在多位研究人員的通力合作下完成的。劉政指導的博士后周家東（Jiadong Zhou）制備出高質量少層MoTe2樣品；南方科技大學教授林君浩（Junhao Lin）利用高分辨透射電子顯微鏡（STEM）對少數層MoTe2樣品進行了表征，證實了其結構為Td相；劉廣同帶領學生崔健、李沛嶺完成了低溫強磁場的電學輸運測量，發現了二維超導電性、面內上臨界場的增強以及其兩度對稱性；香港科技大學教授羅錦團（K. T. Law）和學生賀文宇從理論上給出了各向異性自旋－軌道耦合作用下的超導機制。

　　相關研究成果于5月3日在線發表于《自然-通訊》（Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-019-09995-0）雜志上。該項工作得到科技部（2016YFA0300600與2015CB921101）、國家自然科學基金委（11527806與11874406）、深圳科技創新基金（ZDSYS20170303165926217）、新加坡國家研究基金（NRF-RF2013-08, MOE Tier 2 MOE2016-T2-2-153, MOE2015-T2-2-007，A*Star QTE programme）、日本學術振興會科學基金（JP16H06333，P16382）、裘槎基金會和香港研究資助局（C6026-16W, 16309718, 16307117, 16324216, ECS26302118）的資助。

圖1. 少數層Td相MoTe2樣品中面內上臨界磁場的實驗數據。a）0.3 K時不同厚度樣品的磁電阻曲線。縱軸為約化磁電阻（R/Rn），橫軸為約化面內磁場（H∥/Hp）。b）0.3 K時約化面內上臨界磁場（Hc2,∥/Hp）隨樣品厚度的依賴關系。c）不同厚度樣品中約化溫度（T/Tc）與約化上臨界磁場（Hc2/Hp）的相圖。

圖2. 少數層Td相MoTe2樣品面內上臨界磁場的兩度對稱性。a）0.3 K時3nm厚MoTe2樣品在不同面內轉角（φ）時的磁電阻曲線。b）溫度為0.07 Tc、0.35 Tc、0.6 Tc與0.95 Tc時測量到的不同面內旋轉角（φ）下的約化面內上臨界磁場（Hc2,∥/Hp）。c）x與y方向面內約化自旋磁化率（χS/χN ）對約化溫度（T/Tc）的依賴關系。d）1Td-MoTe2能帶結構的第一性原理計算結果。e）理論計算給出的面內自旋織構。f）和g）理論預期的面內y方向與x方向各向異性上臨界磁場的相圖。