[论文解读] Enhanced Superconductivity in Monolayer $T_d$-MoTe$_2$ with Tilted Ising Spin Texture

Daniel Rhodes, Noah F. Q. Yuan+14 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

2D Materials and Applications参考文献 28被引用 11

一句话总结

本研究展示了单层 Td-MoTe2 中超导临界温度（Tc）提高了60倍，达到7.6 K，这是由于电子-电子相互作用强烈且具有显著的面外自旋轨道耦合的倾斜Ising自旋纹理。超导性可通过栅压调控，并表现出与倾斜Ising模型一致的独特面内磁场响应，证实了保护库珀对的鲁棒自旋纹理。

ABSTRACT

Crystalline two-dimensional (2D) superconductors with low carrier density are an exciting new class of materials in which superconductivity coexists with strong interactions, the effects of complex topology are not obscured by disorder, and electronic properties can be strongly tuned by electrostatic gating. Very recently, two such materials, 'magic-angle' twisted bilayer graphene and monolayer $T_d$-WTe$_2$, have been reported to show superconductivity at temperatures near 1 K. Here we report superconductivity in semimetallic monolayer $T_d$-MoTe$_2$. The critical temperature $T_ extrm{c}$ reaches 8 K, a sixty-fold enhancement as compared to the bulk. This anomalous increase in $T_ extrm{c}$ is only observed in monolayers, and may be indicative of electronically mediated pairing. Reflecting the low carrier density, the critical temperature, magnetic field, and current density are all tunable by an applied gate voltage, revealing a superconducting dome that extends across both hole and electron pockets. The temperature dependence of the in-plane upper critical field is distinct from that of $2H$ transition metal dichalcogenides (TMDs), consistent with a tilted spin texture as predicted by extit{ab initio} theory.

研究动机与目标

• 研究二维极限下本征低载流子密度单层 Td-MoTe2 的超导性质。
• 确定其 Tc 相较于体相 Td-MoTe2（120 mK）显著增强的根源。
• 探究自旋轨道耦合与自旋纹理在高面内磁场下稳定超导性的角色。
• 在清洁、封装的二维体系中建立超导性的电场调控特性。
• 通过上临界场的角依赖性确认倾斜Ising自旋纹理的存在。

提出的方法

• 采用自 flux 法合成高质量单晶 Td-MoTe2，并在惰性气氛中机械剥离。
• 将单层纳米片封装在六方氮化硼（h-BN）层之间，以最小化无序和环境退化。
• 采用密封 h-BN 封装或预先图案化接触嵌入工艺制作电极，实现高质量、栅压可调的器件。
• 在高磁场（最高达18 T）和低温（低至30 mK）条件下进行输运测量，以探测上临界场（Hc2）的各向异性。
• 将面内 Hc2(T) 数据拟合至倾斜Ising自旋轨道耦合模型，以提取 Δ⊥_so 和 Δ∥_so 参数。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算电子能带结构与自旋纹理，为观测到的自旋轨道能级分裂提供理论支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层 Td-MoTe2 的 Tc 相较于体相材料为何有如此显著的提升？
• RQ2 单层 Td-MoTe2 中的自旋纹理如何影响超导性对面内磁场的响应？
• RQ3 单层 Td-MoTe2 中的超导性在多大程度上可通过电场栅压实现调控？
• RQ4 单层 Td-MoTe2 中的自旋轨道耦合性质是什么？是否表现出倾斜Ising纹理？
• RQ5 是否存在除自旋轨道耦合之外的其他机制，限制该体系的上临界场？

主要发现

• 单层 Td-MoTe2 的临界温度（Tc）达到7.6 K，相较于体相的120 mK提高了60倍。
• 面内上临界场（Hc2）表现出与常规自旋轨道耦合预期的平方根温度依赖关系明显偏离，与倾斜Ising自旋纹理模型一致。
• 对 Hc2(T) 数据的拟合得到 Δ⊥_so ≈ 2.34 meV 和 Δ∥_so / Δ⊥_so ≈ 15%（样品 S1），另一样品（S2）的比值较低，约为4.6%，表明自旋纹理各向异性具有样品依赖性。
• Klemm-Luther-Beasley 模型在低温下高估了 Hc2，表明该体系处于清洁极限，而非脏极限。
• 观测到的自旋纹理与自旋轨道耦合参数与 DFT 计算的能带结构高度一致。
• 样品间 Hc2/Hp 比值的差异表明存在额外机制，如自旋轨道-宇称耦合（SOPC），可能进一步提升 Hc2。