科學家發(fā)現(xiàn)一種潛在的拓撲超導體材料——層狀2M相硫化鎢

由于豐富的晶體結(jié)構(gòu)和較強的自旋軌道耦合及其導致的多種奇特的電子結(jié)構(gòu)和物理化學特性，以MoS₂為代表的VIB族層狀過渡金屬二硫族化合物MX₂ (M= Mo, W; X= S, Se, Te)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。根據(jù)層內(nèi)的配位和層面的堆垛情況，該類化合物可以分為具有三棱柱構(gòu)型的2H相、具有八面體構(gòu)型的1T相以及面內(nèi)化學配位扭曲形成的1T’相等。金屬原子M沿著面內(nèi)某個方向發(fā)生位移，使得1T’相在面內(nèi)形成M-M鋸齒鏈結(jié)構(gòu)。這種單層1T’相可以通過不同的堆垛方式獲得具有不同晶體結(jié)構(gòu)的塊體材料。目前已知的兩種由1T’單層堆垛得到的塊體晶體結(jié)構(gòu)包括單斜晶系的1T’相和正交晶系的T_d相。由于存在反演對稱破缺，T_d相的MoTe₂和WTe₂是第二類外爾半金屬，在輸運上具有大的不飽和磁阻效應(yīng)，同時在高壓下會表現(xiàn)出超導特性。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所、南京大學和中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等單位合作，發(fā)現(xiàn)了一種具有全新堆垛結(jié)構(gòu)的2M相WS₂，該材料表現(xiàn)出不同于1T’（空間群P2₁/m）和T_d（空間群Pnm2₁）的堆垛方式，空間群為單斜形式的C2/m，且具有反演對稱中心。研究人員通過拓撲化學的方法，首先合成出高質(zhì)量的前驅(qū)體三元插層化合物K_0.7WS₂，然后在一個溫和的氧化性環(huán)境中將K離子抽離出材料母體，最終得到毫米級的2M WS₂單晶。通過輸運測試發(fā)現(xiàn)2M WS₂具有8.8 K的超導轉(zhuǎn)變溫度，該轉(zhuǎn)變溫度為本征TMD（過渡金屬二硫?qū)倩?/span>transition-metal dichalcogenide）材料中最高的。理論計算表明該材料的能帶中存在受拓撲不變量Z₂保護的具有狄拉克錐特征的拓撲表面態(tài)。這是首次在TMD材料體系中發(fā)現(xiàn)這種狄拉克錐型的拓撲表面態(tài)，完全不同于T_d WTe₂和T_d MoTe₂外爾半金屬態(tài)。更為重要的是，由于拓撲表面態(tài)與體相超導的共存，2M WS₂成為一種非常有前景的層狀拓撲超導體候選者。相關(guān)研究成果以Discovery of Superconductivity in 2M WS₂ with Possible Topological Surface States 為題發(fā)表于國際期刊《先進材料》雜志上（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201901942）。上海硅酸鹽所在讀博士研究生方裕強和南京大學在讀博士研究生張冬芹為該論文共同第一作者；上海硅酸鹽所研究員黃富強、南京大學教授張海軍和上海微系統(tǒng)所副研究員牟剛為該文共同通訊作者。

上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院重點研究項目、霍英東教育基金、中科院青年創(chuàng)新促進會和上海市科委等的資助和支持。

MX₂的晶體結(jié)構(gòu)示意圖：a, 2H相；b, 1T相；c，1T相單層；d，塊體1T’相；e，T_d相；f，1T’單層。

a, 2M WS₂的晶體結(jié)構(gòu)；b, 超導特性；c, 拓撲態(tài)；d, 2M WS₂物性示意圖。

轉(zhuǎn)載于  http://www.cas.cn/syky/201906/t20190611_4694801.shtml