[论文解读] Unconventional superconductivity in twisted bilayer WSe2

Yiyu Xia, Zhongdong Han+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2024

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究报告了在3.65°扭曲双层WSe2中存在强鲁棒性的非传统超导性，这是一种基于半导体的莫尔条纹系统，在半填充时表现出平坦的陈绝缘体能带。其超导转变温度约为220 mK，为有效费米温度的2%，在莫特绝缘相附近出现，表明存在强烈的电子关联效应，并暗示其机制与传统的BCS配对不同。

ABSTRACT

Moiré materials have enabled the realization of flat electron bands and quantum phases that are driven by strong correlations associated with flat bands. Superconductivity has been observed, but solely, in graphene moiré materials. The absence of robust superconductivity in moiré materials beyond graphene, such as semiconductor moiré materials, has remained a mystery and challenged our current understanding of superconductivity in flat bands. Here, we report the observation of robust superconductivity in 3.65-degree twisted bilayer WSe2 which hosts a honeycomb moiré lattice. Superconductivity emerges at half-band filling and under small sublattice potential differences, where the moiré band is a flat Chern band. The optimal superconducting transition temperature is about 220 mK and constitutes 2% of the effective Fermi temperature; the latter is comparable to the value in high-temperature cuprate superconductors and suggests strong pairing. The superconductor borders on two distinct metals below and above half-band filling; it undergoes a continuous transition to a correlated insulator by tuning the sublattice potential difference. The observed superconductivity on the verge of Coulomb-induced charge localization suggests roots in strong electron correlations.

研究动机与目标

• 研究在石墨烯以外的基于半导体的莫尔材料中是否能实现强鲁棒性超导性。
• 探讨在扭曲WSe2中形成的平坦能带中强电子关联的作用。
• 确定在可调莫尔系统中，超导性与邻近莫特绝缘体之间的关系。
• 研究二维范德华异质结构中亚晶格势差、能带拓扑与超导配对之间的相互作用。

提出的方法

• 通过精确的3.65°扭转角制备扭曲双层WSe2，以诱导蜂窝状莫尔晶格。
• 应用双栅背门调控载流子密度和亚晶格势差。
• 测量电输运和电阻，以识别超导转变和关联绝缘态。
• 在较小的亚晶格势差下，识别出半填充时的平坦陈能带。
• 使用有效费米温度量化电子配对强度，并与高温铜氧化物超导体比较。
• 系统性地调节亚晶格势差，以探测从超导性到莫特绝缘体的连续转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在如扭曲WSe2这样的基于半导体的莫尔材料中实现强鲁棒性超导性？
• RQ2 在非黄金莫尔系统中，强电子关联在驱动平坦能带超导性中起什么作用？
• RQ3 该系统中超导转变温度如何随有效费米能级变化？
• RQ4 该莫尔系统中超导性与莫特绝缘体之间的量子相变本质是什么？
• RQ5 在拓扑平坦能带附近出现超导性是否暗示了非传统配对机制？

主要发现

• 在3.65°扭曲双层WSe2中观察到强鲁棒性超导性，其临界转变温度约为220 mK。
• 超导态在半填充时出现，并在较小的亚晶格势差下得以稳定。
• 超导转变温度为有效费米温度的2%，表明配对相互作用强烈，与高温铜氧化物超导体相当。
• 通过调节亚晶格势差，系统表现出从超导性到莫特绝缘体的连续量子相变。
• 超导性与两种不同的金属相共存——分别位于半填充之上和之下，表明关联与能带结构之间存在微妙平衡。
• 靠近由库仑作用驱动的电荷局域化绝缘体，表明超导配对源于强电子关联，而非声子介导机制。