beat365官方网站人工微結構和介觀物理國家重點實驗室路建明研究員課題組利用離子液體栅極調控手段，在高質量單層二硫化鎢-氮化硼（WS₂/hBN）異質結體系中觀測到大幅提升的超導轉變溫度(6 K)。伴随着超導出現，在低溫下同時測量到由于K&Q能谷被占據導緻的非線性霍爾現象，為多能谷導緻超導找到直接輸運證據，同時Q能谷的參與也為過渡金屬硫族化合物中伊辛超導體的費米面自旋紋理提供新認識。2022年9月29日，相關研究成果以“單層過渡金屬硫族化合物中的多能谷超導”(Multivalley Superconductivity in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides)為題發表于《Nano Letters》。

路建明課題組長期從事二維範德華超導體的離子液體栅極調控，此成果是2018年發現單層WS2完整超導相（PNAS 115, 3551 (2018)）和2021年發現光場-電場聯合調控超導（Nano Lett. 21, 6800 (2021)）後續的物性方面深入研究。在2H型過渡金屬硫化物中，谷自由度和強自旋軌道耦合(SOC)産生了許多奇異的物理現象，如谷極化激子激元、谷霍爾效應和伊辛超導等，吸引了廣泛興趣。費米面上的反對稱自旋織構使平面内超導上臨界場可以遠超泡利極限，為具有拓撲性質的奇異配對提供可能。而相對于劈裂較小的K能谷而言，具有較大自旋劈裂的Q能谷是否參與超導配對導緻伊辛超導，以及超導是否來源于多能谷占據等問題仍然懸而未決。

在離子液體雙電層晶體管技術調控的單層過渡金屬硫族化合物體系，來自襯底和離子液體的無序度往往會為很多物理本質的探索帶來極大阻礙。此研究利用原子級别平整的六方氮化硼作為襯底配合幹法轉移技術制備出高質量異質結，其最高超導轉變溫度高達6 K，與常規二氧化矽襯底和化學氣相沉積生長的單層WS₂器件相比，T_c提高了30%以上。垂直磁場中觀測到的介于超導絕緣轉變之間的量子金屬态也證實體系無序度的減少。

圖1 單層WS2/hBN的輸運相圖以及不同輸運狀态對應的霍爾效應和能帶填充

當體系中載流子摻雜超過約6 E13 cm⁻²時，低溫下開始出現超導，而得益于無序度較低的高質量異質結器件，垂直磁場下同時也觀測到了明顯的非線性霍爾效應，這種非線性霍爾效應可以利用雙載流子模型很好地拟合，在排除了反常霍爾效應和載流子的不均勻等原因後，結合第一性原理計算發現這一附加的高遷移率導電通道來源于Q能谷被占據。這種Q能谷被占據和超導的強關聯行為也從超導臨界磁場随溫度的變化關系中得以佐證。

beat365官方网站2017級博士研究生丁冬冬為第一作者；beat365官方网站路建明研究員和南方科技大學吳建生助理教授為共同通訊作者；其他合作者還包括beat365官方网站與人工微結構和介觀物理國家重點實驗室甘子钊教授和中國科學院微電子研究所韓春蕊研究員等。該研究工作得到國家自然科學基金，國家重點研發計劃和北京自然科學基金等支持。