實現量子相的靜電控制是凝聚態研究的前沿。最近的研究表明，在扭曲的石墨烯異質結構和二維半金屬(如WTe₂)中，靜電摻雜可以調節超導性。其中一些體系具有產生鐵電性的極性晶體結構，其中層間極化，在外部電場的驅動下表現出雙穩定性。

在此，來自美國哥倫比亞大學的Abhay N. Pasupathy& 威斯康星大學麥迪孫分校的Daniel A. Rhodes等研究者展示了雙層Td-MoTe₂同時表現出鐵電切換和超導性。相關論文以題為“Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer Td-MoTe₂”于2023年01月04日發表在Nature上。

近年來，在許多二維范德華層狀異質結構中發現了鐵電性，這些異質結構在本質上或通過異質結構工程破壞了反演對稱性。

與傳統的鐵電性不同，這種現象是由于BaTiO₃等化合物的長程庫侖相互作用而產生的，這種現象被認為是由于層間滑動和反轉對稱破碎引起的小偶極矩之間的相互作用而出現的。例如，在雙分子層六方氮化硼(hBN)中，面外電場可以引起層間滑動，使堆疊順序從BA變為AB，并切換極化方向。

同樣的原理，已擴展到菱面體堆疊雙層過渡金屬二鹵屬化合物和正交堆疊雙層Td-WTe₂，證明了在幾乎任何非中心對稱二維異質結構中實現鐵電行為的可行途徑。

與薄膜氧化物(例如BiFeO₃)相比，鐵電2D異質結構具有引人注目的優勢：通過常規靜電技術可調諧電子行為，通過應變進行修改，以及利用鐵電來控制其他電子狀態的能力。

重要的是，由于二維鐵電結構原子薄，面內金屬態與面外極化兼容。例如，幾種金屬過渡金屬二鹵屬化合物，在低溫下表現出二維超導性。因此，鐵電性提供了另一個調諧鈕，除了靜電摻雜，以控制和評估二維超導。實現這一目標的一個可能的候選者是少層Td-MoTe₂(以下簡稱MoTe₂)，它已被證明可獨立地顯示出鐵電性和補償超導性。

總的來說，MoTe₂是一種幾乎補償的半金屬，超導T_c為100 mK。密度泛函理論(DFT)的計算表明，單分子層和雙分子層MoTe₂(圖1b)保持了這種電荷補償行為，在費米水平上顯示了幾乎補償的電子和空穴袋，并有一個小的雙分子層分裂。

超導轉變溫度隨厚度的減小而異常升高，在單層極限時達到約7 K的最大值。這種行為與其他二維超導體明顯不同，在其他二維超導體中，超導性由單一載流子類型主導，如單層WTe₂或少層NbSe₂。

MoTe₂還具有極性晶體結構，其中在少層極限內，層與層之間產生凈面外極化。這種極化，以及它的平面外切換，之前已經通過壓響應力顯微鏡測量證明。與在WTe₂中看到的類似，切換行為被歸因于層間滑動。假設這種情況下，雙分子層MoTe₂是仍然存在滑動自由度的最薄材料，研究者將其作為研究超導態與電極化之間相互作用的平臺。

圖1. 雙分子層Td-MoTe₂的電子性質

在此，研究者展示了雙層Td-MoTe₂，能夠同時表現出鐵電切換和超導性。值得注意的是，在鐵電躍遷時觀察到場驅動的一階超導體向正態躍遷。雙分子層Td-MoTe₂的超導轉變溫度(T_c)也具有最大值，其是載流子密度和溫度的函數，允許作為摻雜和極化的函數獨立控制超導狀態。

研究者發現最大T_c與補償電子和空穴載流子密度有關，當其中一個費米口袋隨摻雜而消失時，最大T_c也隨之消失。研究者認為這種不尋常的極化敏感二維超導體是由與近嵌套電子和空穴費米口袋相關的帶間對相互作用驅動的。

圖2. 雙分子層Td-MoTe₂鐵電性與超導性的耦合

圖3. 雙層Td-MoTe₂的依賴摻雜超導特性

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圖4. MoTe₂中的費米表面嵌套和超導性

綜上所述，研究者在雙層MoTe₂鐵電體系中發現了一個可調諧的T_c，這表明這種材料是一個很有前途的平臺，可以通過摻雜和位移場兩個獨立且高度精確的控制不尋常類型的二維超導。與此同時，超導在鐵電躍遷時的離散開關為具有超導相一階開關的量子器件開辟了新的可能性。

研究者預計這些效應，將對層厚和扭轉角有一個依賴性，可調整反轉對稱破缺的程度。這種效應，也應該存在于其他非中心對稱的二維超導體中。最后，利用與晶格耦合的超快電磁激勵，來控制這些性質也是一個吸引人的前景。

Jindal, A., Saha, A., Li, Z.?et al.?Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer Td-MoTe₂.?Nature?613, 48–52 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05521-3

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https://www.nature.com/articles/s41586-022-05521-3