科技进展

新型层状2M相WS2超导体-------一种潜在的拓扑超导材料

  

  由于丰富的晶体结构和较强的自旋轨道耦合及其导致的多种奇特的电子结构和物理化学特性,以MoS2为代表的VIB族层状过渡金属二硫族化合物(TMDMX2 (M= Mo, W; X= S, Se, Te)受到了研究人员的广泛关注。如图1所示,根据层内的配位和层面的堆垛情况,该类化合物可以分为具有三棱柱构型的2H相(图1a)、具有八面体构型的1T相(图1b)以及面内化学配位扭曲形成的1T’相(图1d-f)等。金属原子M沿着面内某个方向发生位移,使得1T’相在面内形成M-M锯齿链结构(图1f)。这种单层1T’相可以通过不同的堆垛方式获得具有不同晶体结构的块体材料。目前已知的两种由1T’单层堆垛得到的块体晶体结构包括单斜晶系的1T’相(图1d)和正交晶系的Td相(图1e)。由于存在反演对称破缺,Td相的MoTe2WTe2是第二类外尔半金属,在输运上具有大的不饱和磁阻效应,同时在高压下会表现出超导特性。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所等单位合作,发现了一 种具有全新堆垛结构的2MWS2,该材料表现出不同于1T’(空间群P21/m)和Td(空间群Pnm21)的堆垛方式(图2a),空间群为单斜形式的C2/m,且具有反演对称中心。研究人员通过拓扑化学的方法,首先合成出高质量的前驱体三元插层化合物K0.7WS2,然后在一个温和的氧化性环境中将K离子抽离出材料母体,最终得到毫米级的2M WS2单晶。通过输运测试发现2M WS2具有8.8 K的超导转变温度(图2b),该转变温度为本征TMD材料中最高的。引人注意的是,理论计算表明该材料的能带中存在受拓扑不变量Z2保护的具有狄拉克锥特征的拓扑表面态(图2c)。这是第一次在TMD材料体系中发现这种狄拉克锥型的拓扑表面态,完全不同于Td WTe2Td MoTe2外尔半金属态。更为重要的是,由于拓扑表面态与体相超导的共存(图2d),2M WS2成为一种非常有前景的层状拓扑超导体候选者。最近,相关研究成果以“Discovery of Superconductivity in 2M WS2 with Possible Topological Surface States”为题发表于国际顶尖材料期刊Advanced Materials杂志上(DOI: 10.1002/adma.201901942)。中科院上海硅酸盐所黄富强研究员、南京大学张海军教授和中科院上海微系统所牟刚副研究员为该文共同通讯作者。

  该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院重点研究项目、霍英东教育基金、中国科学院青年创新促进会等的资助和支持。

1. MX2的晶体结构示意图. a, 2H相;b, 1T相;c1T相单层;d,块体1T’相;eTd相;f1T’单层。

2. a, 2M WS2的晶体结构; b, 超导特性; c, 拓扑态; d, 2M WS2物性示意图