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封面文章:一种有效调控拓扑及超导性质的方法

Science China Press

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IMAGE: (a) 通过插层方法调控层间耦合作用的示意图。(b)通过对层间偶耦合作用的调控,可以实现能带拓扑性质从三维拓扑外尔半金属到三维弱拓扑绝缘体的转变,同时还能产生或者增强超导。(c)XRD衍射结果表明插层后的层间距从6.9 Å增大到11.3 Å。(d)输运测量表明插层后的样品显示出转变温度高达7.0 K的超导电性。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

最新一期Science Bulletin封面文章中,研究者发展了一种有效的有机阳离子插层方法,通过调控层状材料的层间耦合作用,获得了一类具有迥异拓扑性质以及增强超导特性的有机-无机复合晶体。

降低维度是一种直接调控层状材料层间耦合作用并引入新奇物理性质的方法。例如,WTe2 的单晶体材料是不超导的外尔半金属,而当将其减薄至单层后,则会出现量子自旋霍尔效应和转变温度为0.82 K的超导特性。但是,降低维度需要复杂的生长或剥离技术,得到的单层样品往往在空气环境中并不稳定。因此,发展出一种有效且易行的方法来调控层间耦合作用以获得特定性质就尤为重要。

近日,清华大学物理系周树云研究组与于浦研究组合作,发展出一种适用于层状材料的有机阳离子插层方法。以外尔半金属MoTe2和WTe2作为模型体系,他们发现插层后的样品表现出了迥异的拓扑性质、增强的超导特性以及比单层样品更好的稳定性。尤为有意思的是,插层后MoTe2样品的超导转变温度提高到了7 K,比插层前的0.25 K大幅度提高且与单层MoTe2超导转变温度接近。更重要的是,插层后WTe2样品的超导转变温度提高到了2.3 K,是单层样品超导转变温度(~0.82 K)的2.8倍。这表明插层是一种非常有效的引入或者增强超导电性的方法。在插层MoTe2和WTe2样品中实现对其拓扑及超导性质的双重调控,将为后续拓扑超导、实现马约拉纳零模的研究提供新的机遇。

该工作发展的插层方法也为将来调控其它层状材料带来了深远影响。文章发表后,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授在同期杂志中撰文评价其意义:“该分子插层方法提供了一种调控层状材料维度和拓扑特性的多功能调控策略,定义了一类全新的有机-无机超晶格结构,通过对电子态及复杂的能带拓扑的精巧调控工程,使新奇的性质和器件成为了可能。”

Haoxiong Zhang, Awabaikeli Rousuli, Shengchun Shen, Kenan Zhang, Chong Wang, Laipeng Luo, Jizhang Wang, Yang Wu, Yong Xu, Wenhui Duan, Hong Yao, Pu Yu, Shuyun Zhou. Enhancement of superconductivity in organic-inorganic hybrid topological materials. Science Bulletin, Science Bulletin, 2020, 65(3): 188-193

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319306656 http://engine.scichina.com/doi/10.1016/j.scib.2019.11.021

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