二维材料物理研究进展导读|2023年1月

非线性霍尔效应

WTe₂中受电场调控的贝里曲率偶极子

贝里曲率偶极子在各类非线性量子现象中均起到十分重要的作用。但要实现非零贝里曲率偶极子，就对输运平面的对称性有要求，最大程度只能是单镜像线，这就极大地限制了它在材料中的应用。这里，我们通过探测非线性霍尔效应，证明了在WTe₂中施加直流电场可以产生贝里曲率偶极子，从而打破了对称性的限制。进一步，我们观测到贝里曲率偶极矩的大小与直流电场呈线性关系，极化方向由电场和晶轴的相对方向控制，进而可以通过改变直流电场的极性使其发生反转。该研究为在材料体系中产生和调控贝里曲率偶极子提供了一条途径，从而促进了非线性量子器件的发展。

(任雅宁)

Control over Berry Curvature Dipole with Electric Field in WTe₂

Xing-Guo Yeet al.

Phys. Rev. Lett.130, 016301(2023).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.016301

激子

单层二硫化钨中强驱动激子的Floquet工程

量子材料与强激光场的相互作用可以诱导出新奇的非平衡电子态。而单层过渡金属硫化物是一类具有显著量子限制的新型直接带隙半导体，为激子(电子-空穴关联态)的Floquet工程提供了极好的平台。强场驱动有望实现对电子能带结构的增强控制，从而开创激子光-物质相互作用的新领域。然而，目前完整描述强场驱动激子动力学仍具有一定的挑战性。这里，我们利用光子能量低于光学带隙的中红外激光脉冲来激发单层二硫化钨，实现了超过100 meV的激子强场光修饰。高灵敏瞬态吸收光谱进一步揭示了在1s激子共振以下的虚吸收特征，我们将其归因于暗2p激子态的光修饰边带。最后，我们利用量子力学模拟证实了实验结果，并重现了激子动力学的实空间影像。该研究促进了我们对强场下激子动力学的理解，展示了在二维材料器件中应用超快强场现象的可能性。

(任雅宁)

Floquet engineering of strongly driven excitons in monolayer tungsten disulfide

Yuki Kobayashiet al.

Nat. Phys.19, 171–176(2023).

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01849-9

铁电范德华半导体中电翻转的各向异性极化激元传播

二维量子材料中，对激子-极化激元传播动力学的调控有望在纳米尺度上实现对电磁场的控制。在材料系统的原子级薄层内，沿晶体方向改变介电常数导致极化激元在平面内的各向异性色散。基于这种物理机制，有望定向操纵极化激元的传播方向，但其中机制仍旧难以捉摸。本文报道在SnSe(一种IV族单硫族半导体，形成铁电畴并表现出室温激子行为)中探究平面内各向异性激子-极化激元的传播。首先在多层SnSe中激发了激子-极化激元，并进一步地研究它们的传播动力学和色散关系。基于激子-极化激元的这种传播使得面内铁电畴的纳米级成像成为可能。最后，本文证明了在这个复杂的范德华体系铁电畴中的激子-极化激元的电翻转行为。该研究工作表明，IV族单硫族化合物等体系可作为主动重构极化激元光学器件的优良平台。

(赵亚新)

Electrically switchable anisotropic polariton propagation in a ferroelectric van der Waals semiconductor

Yue Luoet al.

Nat. Nanotechnol.(2023).

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01312-z

库伦耦合的双莫尔晶格中的激子密度波

晶格中的强关联玻色子是实现物质丰富玻色子态和量子相变的平台。尽管在冷原子实验中已经研究了晶格中的强关联玻色子，但是在固态系统中实现它们仍然具有挑战性。在这里，我们在角度一致的WS₂/双层WSe₂/WS₂多层结构中发现了由束缚的电子-空穴对组成的层间激子-玻色子。在顶部和底部的界面上，异质结所形成的库伦耦合的三角形莫尔晶格的周期几乎相同。我们在两个晶格中结合电子的填充因子为1/3，2/3，4/3，5/3的任意值时都观察到了关联绝缘态。这些态可以解释为激子和空穴的玻色-费米混合中的激子密度波。由于各组分之间强烈的排斥相互作用，这些空穴形成了鲁棒的广义维格纳晶体，这将激子流体限制在了由自发晶格平移对称性破缺形成的通道之中。我们的结果表明，库伦耦合的莫尔晶格是研究关联多玻色子现象的沃土。

(周啸峰)

Exciton density waves in Coulomb-coupled dual moiré lattices

Yihang Zenget al.

Nat. Mater.22, 175-179 (2023)

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01454-4

超导

双层T_d-MoTe₂中铁电性与超导性的耦合

对量子相进行静电调控是凝聚态领域的研究前沿。最近的研究表明，在转角石墨烯异质结以及二维半金属(如WTe₂)中，可以实现受静电掺杂调控的超导。其中一些体系还具有极性晶体结构，可以产生铁电性，并且在外电场驱动下层间极化可以是双稳态的。这里，我们发现在双层T_d-MoTe₂中可以同时出现铁电切换和超导性，尤其是在铁电转变附近出现了由场驱动的一阶超导到正常态的转变。作为载流子浓度和温度的函数，其超导转变温度(T_c)存在极大值，因此可以通过调控掺杂和极化独立地调控超导态。我们还发现最大T_c与补偿电子、空穴载流子浓度有关，当改变掺杂使其中一个费米口袋消失时，超导也随之消失。我们认为这种极化敏感的二维超导性源于与电子、空穴费米口袋嵌套相关的带间配对相互作用。

(任雅宁)

Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer T_d-MoTe₂

Apoorv Jindalet al.

Nature613, 48–52 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05521-3

自旋轨道耦合近邻的双层石墨烯中的超导增强

在一个大的垂直电场的作用下，伯纳尔堆垛的双层石墨烯(BLG)具有多个对称性破缺的金属态以及磁场诱导的超导态。然而，这种超导态是非常脆弱的，它只出现在一个狭窄的密度窗口中且最高的临界温度T_c≈30mK。在这里，我们表明，将单层的二硒化钨(WSe₂)置于BLG上，可以极大地促进库珀对配对。超导可以出现在零磁场，其T_c表现出一个数量级的增强，且超导可以发生在一个相当于原来8倍宽的密度范围内。通过测量BLG-WSe₂中的量子共振对电场和掺杂的关系，我们确定了超导性出现在正常态极化的整个区域，其中四个自旋谷中有两个占主导。平面内磁场测量进一步揭示了BLG-WSe₂中的超导表现出对掺杂临界场的显著依赖，在超导拱形顶部的一端大致服从Chandrasekhar-Clogston(Pauli)极限，而在另一端则严重违反。此外，超导性只出现在垂直电场将空穴的波函数推向WSe₂时，这表明近距离诱导(伊辛)自旋轨道耦合在稳定配对中起着关键的作用。我们的研究结果对工程上稳固的，高可调性和超净石墨烯基的超导体铺平了道路。

(周啸峰)

Enhanced superconductivity in spin–orbit proximitized bilayer graphene

Yiran Zhanget al.

Nature613, 268-273 (2023)

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05446-x

双稳态莫尔超导体的电开关

超导电性的电气控制对低温存储元件、超导场效应晶体管以及栅极可调量子比特在内的纳米级超导电路的研究是至关重要的。超导场效应晶体管通过连续调节载流子浓度实现功能，但目前有关于新型低温存储元件的双稳态超导场效应晶体管仍没有被报道。近期研究工作者们在伯纳尔堆叠的双层石墨烯中发现，当双层石墨烯与绝缘六方氮化硼栅介质对齐时存在栅极滞后现象，以及由此产生的双稳态特性。本文研究工作在魔角双层石墨烯与氮化硼对齐的体系中观测到了相同的滞后现象。并进一步地证明双稳态行为与魔角双层石墨烯强关联电子系统共存，同时不会破环体系的关联绝缘体态或超导态。在这个由范德瓦尔斯材料构成的丰富系统中，不同电子态之间可进行配置优化的切换。为了阐明这种新方法，研究工作者们基于栅极电压或电位移场在魔角双层石墨烯中的超导态、金属态以及关联绝缘体态之间实现可重复的双稳态切换。这种新型可切换的莫尔超导体有望广泛应用于高度可调控的超导电子学领域。

(赵亚新)

Electrical switching of a bistable moiré superconductor

Dahlia R. Kleinet al.

Nat. Nanotechnol.(2023).

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01314-x

硅表面手性超导电性的证据

锡原子吸附在硅(111)晶面衬底上并呈现出三分之一单原子层的覆盖率，从而在每个位点形成了带有一个未成对电子的二维三角晶格排布。这些电子有序地进入反铁磁莫特绝缘体态，当用空穴掺杂Sn原子层可形成二维导体，其在低温下可转变为超导体。尽管目前对超导电性的配对对称性还未可知，但在三角吸附的原子晶格中，固有的排斥相互作用与阻挫的结合开辟了手性序参量的可能。本文的研究工作基于扫描隧道显微镜、扫描隧道光谱以及准粒子干涉成像，研究了Sn/Si(111)体系的超导态。研究发现了与掺杂相关的超导临界温度证据，其具有完全能隙的序参量。同时存在时间反演对称性，并且在超导畴的边缘附近零偏压电导显著增强。尽管每一个单独的证据都有更加普适的解释，但综合结果表明Sn/Si(111)可能是一种非常规的手性d波超导体。

(赵亚新)

Evidence for chiral superconductivity on a silicon surface

F. Minget al.

Nat. Phys.(2023).

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01889-1

维格纳-莫特绝缘体

维格纳-莫特绝缘体中磁相互作用被抑制的证据

二维半导体莫尔材料与传统固体相比，其电子在晶格位点附近更加的离域。因此，这种非局域对磁相互作用的贡献可能与安德森超交换一样重要。这使得这种材料成为研究竞争磁相互作用效应的独特平台。在这里，我们报道了在角度一致的WSe₂/WS₂双层维格纳-莫特绝缘体的莫尔晶格的2/3填充处磁相互作用被强烈抑制的证据。磁光测量结果表明，当填充因子小于1时，净交换相互作用是反铁磁的且在2/3填充处被强烈抑制。通过长程库伦相互作用的屏蔽和附近的金属栅极对维格纳-莫特绝缘体的熔化可以解除这种抑制。这一结果可以定性的通过一个反铁磁最近邻耦合和铁磁次近邻耦合的蜂窝格子的自旋模型来解释。我们的研究将半导体莫尔材料建立为研究晶格-自旋物理和被抑制磁性的模型系统。

(周啸峰)

Evidence of frustrated magnetic interactions in a Wigner–Mott insulator

Yanhao Tanget al.

Nat. Nanotechnol.(2023)

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01309-8