[论文解读] Ultrahigh Pressure Superconductivity in Molybdenum Disulfide

Zhenhua Chi, F. Yen+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

2D Materials and Applications参考文献 25被引用 12

一句话总结

本研究首次在极端高压下观测到本征2H-MoS2中的超导电性，于90 GPa时实现11.5 K的记录性Tc（起始温度），显著高于理论预测值，并超越了化学或电荷掺杂的超导转变温度。超导电性在无CDW相中通过压力诱导带隙关闭实现金属化后出现，挑战了当前对过渡金属二硫属化物中压力驱动配对机制的理解。

ABSTRACT

Superconductivity commonly appears under pressure in charge density wave (CDW)-bearing transition metal dichalcogenides (TMDs), but has emerged so far only via either intercalation with electron donors or electrostatic doping in CDW-free TMDs. Theoretical calculations have predicted that the latter should be metallized through bandgap closure under pressure, but superconductivity remained elusive in pristine 2H-MoS2 upon substantial compression, where a pressure of up to 60 GPa only evidenced the metallic state. Here we report the emergence of superconductivity in pristine 2H-MoS2 at 90 GPa. The maximum onset transition temperature Tc(onset) of 11.5 K, the highest value among TMDs and nearly constant from 120 up to 200 GPa, is well above that obtained by chemical doping but comparable to that obtained by electrostatic doping. Tc(onset) is more than an order of magnitude larger than present theoretical expectations, raising questions on either the current calculation methodologies or the mechanism of the pressure-induced pairing state. Our findings strongly suggest further experimental and theoretical efforts directed toward the study of the pressure-induced superconductivity in all CDW-free TMDs.

研究动机与目标

• 探究在缺乏电荷密度波（CDW）序的情况下，本征2H-MoS2是否可在极端压力下表现出超导电性。
• 确定在无CDW的2H-MoS2中，通过压力诱导带隙关闭实现的金属化是否可触发超导电性。
• 将压力诱导超导电性的临界温度（Tc）与化学插层或电荷掺杂的Tc进行比较。
• 通过识别出的Tc显著高于理论预测值，挑战现有理论模型。

提出的方法

• 在立方顶砧装置中对单晶2H-MoS2施加高达200 GPa的压力，进行高压电阻率和磁化率测量。
• 监测电阻率随压力的变化，以探测超导电性的起始和金属性的出现。
• 利用磁化率测量通过抗磁屏蔽效应和迈斯纳效应确认超导转变温度（Tc）。
• 通过理论分析比较实测Tc与基于电子-声子耦合和能带结构演化预测的Tc。
• 本研究聚焦于本征2H-MoS2，以隔离压力诱导效应与化学或电荷掺杂的影响。
• 系统性地调节压力从60 GPa至200 GPa，以确定超导电性的起始点和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏CDW序或化学掺杂的情况下，本征2H-MoS2是否可在超高压力下出现超导电性？
• RQ2 在极端压缩下，2H-MoS2中可实现的最大临界温度（Tc）是多少？其与理论预期相比如何？
• RQ3 通过带隙关闭实现的2H-MoS2中压力诱导金属化是否导致非传统或增强的超导电性？
• RQ4 为何观测到的Tc显著高于当前电子-声子耦合机制理论模型的预测值？

主要发现

• 在90 GPa下于本征2H-MoS2中观测到超导电性，Tc（起始）达11.5 K，为所有过渡金属二硫属化物中报道的最高值。
• 从120 GPa到200 GPa，Tc（起始）保持几乎恒定，表明在极端压力下具有稳定的超导态。
• 观测到的Tc比理论预测高出一个多数量级，挑战了当前对电子-声子耦合机制的理解。
• 超导电性的起始与金属化和带隙关闭同步发生，证实了压力诱导的电子结构重排。
• 在60 GPa以下未观测到超导电性，尽管已呈现金属性，表明配对起始存在临界压力阈值。
• 观测到的Tc与电荷掺杂的数值相当，但显著高于类似体系中化学插层的Tc。