近日，beat365官方网站量子材料科學中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室、北京量子信息科學研究院陳劍豪教授課題組與謝心澄院士等合作者通過構築量子自旋液體/伊辛超導異質結低維量子系統，在中心對稱破缺的天然異質結6R-TaS₂（堆疊方式：1T-1H-1T-1H-1T-1H）中實現了高度交織的衍生關聯物理。相關研究成果以“薄層6R-TaS₂中向列相伊辛超導-隐藏磁性共存”（Nematic Ising superconductivity with hidden magnetism in few-layer 6R-TaS₂）為題發表在期刊《自然•通訊》（Nature Communications）。‌

強關聯電子體系由于關聯效應和量子漲落的競争而衍生出很多新奇的量子态，是當今物理學界的重要研究領域。關聯效應涵蓋了晶格、電荷、自旋和軌道之間強烈的相互作用，‌在高溫超導、‌量子自旋液體、重費米子系統、伊辛超導、莫特絕緣體等領域扮演着關鍵角色，在量子計算領域也有重要應用前景。‌深入研究強關聯電子系統的性質和行為、并實現對其的構築和操縱對于發展新型量子材料和推動量子科技領域發展具有重大意義。

量子自旋液體（QSL）是一種特殊的量子物質形态，由P. W. Anderson在1973年提出，其特點有：1）在零溫極限下無自發對稱性破缺；2）具有拓撲序，超越了傳統的朗道範式；3）具有高度糾纏的量子态和新奇的任意子激發，因此在量子通信和量子信息處理（如拓撲量子計算）方面具有重大潛在應用價值。伊辛超導是一種特殊的超導體，空間反演對稱破缺加上強自旋-軌道耦合導緻庫珀對的自旋沿着面外方向極化，進而導緻很強的面内各向同性的上臨界磁場。香港科技大學物理系K.T. Law教授理論上預言，伊辛超導體可用于創造一種名為“馬約拉納費米子”的新粒子。因此，量子自旋液體和伊辛超導的研究一直備受關注。

近年來，低維異質結工程和轉角電子學技術的發展已經徹底改變和極大促進了量子材料和凝聚态物理的研究，甚至可以創造出任何單一組成原子層中都不存在的新電子基态。理論和數值研究表明，三角阻挫系統中局域自旋和巡遊電子耦合可能會産生手性QSL（非共線的手性自旋結構），進一步手性自旋和巡遊電子之間的近藤耦合有望産生反常霍爾效應，這種非共線的手性自旋結構甚至可能産生微弱的内禀磁性。因此，構築QSL/伊辛超導低維異質結（即局域自旋/巡遊電子耦合）的量子系統有可能衍生出非常豐富的新奇關聯物理現象。過渡金屬族二硫化物TaS₂家族有着不同種類的晶體結構，提供了很好的研究平台。其中2H-TaS₂的空間群為P6₃/mmc，單層1H-TaS₂打破了空間反演對稱，強自旋-軌道導緻了1H-TaS₂的伊辛超導行為；而1T-TaS₂的空間群為P3m1，是三角體系，Patrick Lee研究表明1T-TaS₂既是QSL候選，又是莫特絕緣體。

陳劍豪研究團隊長期緻力于低維量子輸運器件和物理研究，與合作者在低維高遷移率材料、低維拓撲材料、低維磁性材料領域已完成一系列重要的研究工作，如發現拓撲材料的貝利曲率和軌道磁矩帶來的奇異磁電阻效應(Science Bulletin 68, 1488 (2023))，發現籠目結構金屬CsV₃Sb₅的線性磁阻(2D Materials, 10, 015010 (2023))和三維隐藏序的磁輸運特征(Nature Communications 15, 5038 (2024))，實現二維反鐵磁體中電控的磁振子閥并發現巨大的可調磁振子輸運各向異性(Nature Communications 12, 6279 (2021)；Nature Communications 14, 2526 (2023))，以及在非常規鐵基超導塊材中發現三維量子格裡菲斯奇異性(National Science Review, nwae220 (2024))等。

近日，陳劍豪教授課題組與合作者通過構築量子自旋液體/伊辛超導異質結低維量子系統，在中心對稱破缺的天然異質結6R-TaS₂（堆疊方式：1T-1H-1T-1H-1T-1H）中實現了高度交織的衍生關聯物理：向列序、伊辛超導、相幹近藤共振（近藤晶格）、巨大的斜散射反常霍爾（反常霍爾電導高達3000 Ω^-1cm^-1，超越很多磁性材料）、磁場可調控的熱回滞、電荷密度波等等。截止到目前為止，QSL/伊辛超導異質結衍生的奇異關聯量子态背後的物理機制仍然有待被解決，我們的實驗結果将會促進相關理論的進展。

圖一，薄層6R-TaS₂：天然範德華異質結、量子自旋液體候選/莫特絕緣體、向列相伊辛超導。

圖二，6R-TaS₂中的隐藏磁性：巨大的非本征反常霍爾效應（斜散射機制）、強耦合超導和近藤共振的分層共存。

圖三，6R-TaS₂量子平台衍生豐富的關聯物理：伊辛超導、向列序、電荷密度波、隐藏磁性（相幹的近藤共振、斜散射的反常霍爾效應、磁場可調的熱回滞現象）。

該論文的第一作者是beat365官方网站量子材料科學中心博士後劉少博，其他共同第一作者還包括：beat365官方网站量子材料科學中心博士研究生田叢寬、上海交通大學材料科學與工程學院方裕強副研究員、南方科技大學物理系/深圳量子科學與工程研究所博士後戎洪濤。該論文的通訊作者包括：陳劍豪教授、姜宇航教授和黃富強教授。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51631-z