清華新聞網(wǎng)11月21日電 近日，清華大學(xué)高等研究院姚宏教授研究組發(fā)文，在理論上揭示轉(zhuǎn)角雙層二硒化鎢（tWSe2）體系中可能的拓?fù)涑瑢?dǎo)等非常規(guī)超導(dǎo)電性及關(guān)聯(lián)絕緣相的微觀(guān)機(jī)制。
莫爾超晶格因其能帶及關(guān)聯(lián)等物性特征的高度可調(diào)，近年來(lái)已成為研究新奇量子物態(tài)的最重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一。然而，在過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)間里，超導(dǎo)電性?xún)H在基于石墨烯的莫爾體系中被實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到，而在另一類(lèi)同樣重要的過(guò)渡金屬硫族化合物（TMD）莫爾超晶格中卻始終未能實(shí)現(xiàn)。直至近期的實(shí)驗(yàn)研究才首次在tWSe2中觀(guān)測(cè)到非常規(guī)超導(dǎo)及其鄰近的關(guān)聯(lián)絕緣相，這一突破性進(jìn)展立即引發(fā)了廣泛的理論關(guān)注。值得注意的是，在3.65° tWSe2的實(shí)驗(yàn)中，超導(dǎo)出現(xiàn)在ν=?1整數(shù)填充處，且超導(dǎo)與絕緣相的相變由位移電場(chǎng)調(diào)控，這一現(xiàn)象明顯不同于傳統(tǒng)電荷摻雜誘導(dǎo)的超導(dǎo)；此外，基于第一性原理的連續(xù)模型研究表明，3.65° tWSe2的最高莫爾價(jià)帶可能具有非平凡的能帶拓?fù)?。因此，理解這一莫爾TMD體系中的非常規(guī)超導(dǎo)及其鄰近絕緣相的微觀(guān)機(jī)制不僅有助于揭示這一新體系中超導(dǎo)的獨(dú)特特性，也為探索能帶拓?fù)渑c超導(dǎo)之間的聯(lián)系提供了契機(jī)。
圖1.轉(zhuǎn)角雙層WSe2形成的莫爾超晶格示意圖，展示MM/MX/XM堆疊位置、局域原子構(gòu)型以及莫爾布里淵區(qū)
在本研究中，姚宏研究組構(gòu)建了能準(zhǔn)確反映莫爾能帶色散及非平庸拓?fù)涞膶?shí)空間多軌道格點(diǎn)模型，并在該模型中考慮最主導(dǎo)的Hubbard排斥相互作用，結(jié)合隨機(jī)相位近似（RPA）分析引入次近鄰有效吸引相互作用，得到能準(zhǔn)確反映tWSe2微觀(guān)特性的相互作用格點(diǎn)模型，為系統(tǒng)研究tWSe2中非常規(guī)超導(dǎo)和關(guān)聯(lián)絕緣相的微觀(guān)機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)?；谠撃Ｐ?，本研究進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析與平均場(chǎng)計(jì)算。在超導(dǎo)相方面，由于體系具有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性，費(fèi)米面存在庫(kù)珀不穩(wěn)定性，無(wú)窮小的吸引相互作用即可誘導(dǎo)超導(dǎo)配對(duì)；且由于自旋-能谷SU(2)對(duì)稱(chēng)性的缺失，單態(tài)與三重態(tài)配對(duì)將會(huì)混合出現(xiàn)。在關(guān)聯(lián)絕緣相方面，本研究考慮了較強(qiáng)Hubbard相互作用驅(qū)動(dòng)的磁有序，結(jié)合費(fèi)米面近似嵌套的特征，體系傾向于形成120°反鐵磁序。平均場(chǎng)結(jié)果表明：在較小位移電場(chǎng)條件下，體系基態(tài)為手性拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，配對(duì)對(duì)稱(chēng)性為手性d波與手性p波的混合，且具有非零的陳數(shù)C=2；在較大位移電場(chǎng)下，系統(tǒng)形成120°反鐵磁序。在不同參數(shù)條件下，可能出現(xiàn)直接的超導(dǎo)-絕緣相變，也可能通過(guò)反鐵磁金屬中間相進(jìn)行過(guò)渡（如下圖所示）。
圖2.3.65° tWSe2在ν=?1的平均場(chǎng)相圖，包含超導(dǎo)態(tài)（SC）、反鐵磁絕緣態(tài)（AFM-I）與反鐵磁金屬態(tài)（AFM-M）
研究結(jié)果成功解釋了實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的關(guān)鍵特征，揭示了能帶拓?fù)渑c超導(dǎo)性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，為tWSe2中可能的拓?fù)涑瑢?dǎo)等非常規(guī)超導(dǎo)與關(guān)聯(lián)絕緣相的微觀(guān)機(jī)制提供了統(tǒng)一的理論框架。本研究進(jìn)一步提出了可能的驗(yàn)證途徑，包括通過(guò)熱霍爾輸運(yùn)和相位敏感實(shí)驗(yàn)等，為未來(lái)拓?fù)涑瑢?dǎo)的探索奠定了基礎(chǔ)以及為未來(lái)拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了新的可能途徑。
研究成果以“扭曲雙層WSe2的拓?fù)涑瑢?dǎo)和反鐵磁相關(guān)絕緣子理論”（Theory of topological superconductivity and antiferromagnetic correlated insulators in twisted bilayer WSe2）為題，于10月28日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)高等研究院2021級(jí)博士生陀礎(chǔ)熠和李鳴睿為論文共同第一作者，高等研究院教授姚宏為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)理論物理專(zhuān)項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、新基石科學(xué)基金會(huì)“科學(xué)探索獎(jiǎng)”等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-64519-3
供稿：高研院
編輯：李華山
審核：郭玲
