实现量子相的静电控制是凝聚态研究的前沿。最近，在许多2D范德华层状异质结构中发现了铁电性，这些异质结构本质上或通过异质结构工程破坏了反转对称性。与BaTiO₃等化合物中由于长程库仑相互作用而产生的传统铁电性相反。与BaTiO₃等化合物中的长程库仑相互作用而产生的传统铁电性相反，这种现象是由于层间滑动和由破坏反演对称性引起的小偶极矩之间的相互作用而出现的。如在双层六方氮化硼（hBN）中，平面外电场可导致层间滑动，将堆叠顺序从BA改变为AB，并切换极化方向。相同的原理已经扩展到菱形堆叠的双层过渡金属二醇化物和正交堆叠的双层Td-WTe₂，证明了在几乎任何非中心对称2D异质结构中实现铁电行为的可行途径。

与薄膜氧化物（如BiFeO₃）相比，铁电2D异质结构的优势：通过常规静电技术可调谐电子行为、应变修饰以及利用铁电性控制其他电子状态。重要的是，由于2D铁电结构原子薄，面内金属态与面外极化兼容，如几种金属过渡金属二醇化物在低温下表现出2D超导性。因此，除了静电掺杂之外，铁电体还提供了另一个调谐旋钮，以控制和评估2D超导性。少层Td-MoTe₂可实现这一目标，其已独立显示出具有铁电性和补偿超导性。

MoTe₂是一种几乎补偿的半金属，超导Tc为100 mK。密度泛函理论（DFT）表明，单层和双层MoTe₂保持了这种电荷补偿行为，在费米能级显示出具有小的双层分裂的几乎补偿的电子和空穴袋。超导转变温度随着厚度的减小而异常升高，在单层极限中达到～7 K的最大值。这种行为与其他2D超导体明显不同，其超导性由单层WTe₂或少层NbSe₂等的单载流子类型主导。MoTe₂还呈现极性晶体结构，其在少数层限制的层之间出现净平面外极化。这种极化及它的面外切换，之前通过压电响应力显微镜证明过。这种切换行为与WTe₂相似，归因于层间滑动。假设这种情况下，双层MoTe₂是目前仍具有滑动自由度的最薄材料，研究者将其用作研究超导态和电极化之间的相互作用的平台。

哥伦比亚大学Abhay N. Pasupathy和威斯康星大学Daniel A. Rhodes共同报道了双层Td-MoTe₂同时表现出铁电性和超导性。值得注意的是，在铁电相变处观察到场驱动的一阶超导体向正常转变。双层Td-MoTe₂在其超导转变温度（Tc）与载流子密度和温度的函数中也具有最大值，允许掺杂和极化的函数独立控制超导状态。研究者发现，最大Tc伴随着补偿电子和空穴载流子密度，当其中一个费米口袋随着掺杂而消失时，最大Tc消失。这种不寻常的极化敏感二维超导体是由与几乎嵌套电子和空穴费米口袋相关的带间配对相互作用驱动的。相关研究工作以“Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer Td-MoTe₂”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

研究者制作了具有双顶部和底部栅电极的双层MoTe₂样品，通过电压VT和VB调节载流子密度Δn=ε_hBNε₀(V_T/d_T+V_B/d_B)/e和位移场D=ε_hBN (V_T/d_T−V_B/d_B）/2。这里，d_T和d_B是顶部和底部hBNs的厚度，e是电子的电荷，ε₀是真空介电常数，ε_hBN是hBN的介电常数。

图1c展示了几种不同载流子密度在250mK下的霍尔电阻测量值。较低Δn时，霍尔效应与场是非线性的。当增加Δn时，霍尔信号从非线性演变为线性，表明在高Δn时存在单一主载波。在样品中还可看到零掺杂时的非饱和磁阻，如图1d所示。所有这些特征都是补偿半金属的特征。因此，这些测量结果与DFT计算得出的原始材料的预期电子结构大体一致，表明在双层样品中不存在大的外部掺杂或降解。图1e为未掺杂样品的电阻-温度关系，观察到明显的超导转变，Tc为2.3K。为了探测铁电体的存在，在正常状态（4K）下以固定密度扫描D，如图1f所示，可观察到四个探针电阻Rxx的滞后切换。

图1. 双层Td-MoTe₂的电性能

为了研究铁电体如何在低温下与二维超导相互作用，研究者测量了在1.7 K下Rxx-位移场的函数，如图2a所示，可观察到由于铁电性导致的超导性和滞后切换的存在。从D<−2 V nm⁻¹开始，位移场和样品偏振点都在同一方向。当减小位移场的大小并翻转其符号时，超导性逐渐出现，导致样品电阻降至零。样品保持超导状态，直到位移场切换晶体的内部极化，在该点转变到正常状态。在单个材料中铁电开关和超导共存，可以制成由外部电场驱动的超导开关，在图2b中对此进行了说明。从正常（超导）状态开始，适当正（负）号的电场脉冲可以驱动向超导（正常）相的转变。一旦建立了状态之间的切换，样品电阻将持续保持在新状态。

在不同温度下进行位移场扫描，图2c展示了两个扫描方向的结果。对于正向，当位移场从高绝对值降低至低值时，低温下出现超导转变。当位移场继续扫过零点时，Tc继续增加，直到位移场切换极化，此时超导性消失。因此，在两个扫描方向上，最大Tc恰好出现在切换之前。图2e可观察到，电场可以在低掺杂和高掺杂的情况下驱动样品中的超导跃迁。滞后超导现象出现在相图中，接近场驱动超导性与正常状态铁电行为相交的边界。研究者提出了一个简单的假设，即控制超导性的是样品中的总内部电场：当样品极化翻转时，如果足够接近场驱动超导转变，则可以打开或关闭超导相。

图2. 双层Td-MoTe₂中的耦合铁电性和超导性

研究者进行了零位移场下样品中超导电性的载流子密度依赖性，图3a显示了最大Tc为2.5 K。如图3b所示，最大Tc与材料的补偿点Δn=0密切相关。为了进一步证实霍尔分析和补偿行为，测量了磁阻作为掺杂的函数。与双波段模型一致，可看到Δn=0和Δn中间值的非饱和磁阻，其中电子带和空穴带都穿过费米能级。电子掺杂后，Tc总体降低，直到Δn＝2×10¹³ cm⁻²，超过该值，超导性完全消失（降至250 mK）。这种对超导电性的完全抑制发生在相同浓度下，此时霍尔效应变为线性，磁阻随着磁场的增加而饱和。因此，当化学势升高到空穴袋上方时，超导性消失。

为了研究当观察到滞后超导开关时，空穴和电子载流子是否也能使超导性最大化，研究者测量了Δn＝1.5×10¹³ cm⁻²时铁电磁滞区域的霍尔效应。从样品处于正常状态的高正位移场开始，霍尔电阻与场成线性，并使用单电子带模型很好地拟合。当向下扫描磁场并进入超导状态时，霍尔效应产生了明显的非线性，说明存在两种载流子。在大负场下切换出超导状态时，霍尔效应恢复至接近线性，表明空穴载流子密度急剧降低。当将场从负值扫回正值时，可以看到相同趋势，当样品是超导时，可以看到非线性霍尔效应。如图3d可以清楚地看出，需要两种类型的载流子才能具有超导性。

图3. 双层Td-MoTe₂的掺杂相关超导性

只有当电子和空穴袋都存在时，超导现象才会出现，这一事实表明配对机制的背后存在带间过程。如图4b、c所示，λmax峰值位于两个嵌套波矢量q_1M和q_2M（M=单层）处，沿着k_x轴连接电子和空穴袋的边缘。双层MoTe₂中的情况稍微复杂一些，因为沿着k_y方向存在额外的电子袋以及双层分裂（图4d）。结果表明，λmax不仅在嵌套波矢量q_1B（B＝双层）处显示峰值，大约沿着k_x连接空穴和电子袋，且在波矢量q_2B处，沿着k_y连接空穴和电子袋（图4e）。此外，在q_3B处出现一个额外的峰，其连接双层裂孔袋。说明MoTe₂是一种非常不寻常的2D超导体。尽管目前还不能排除其他机制，但这种简单的嵌套驱动方案与在双层MoTe₂中观察到的Tc的掺杂依赖性一致。如图4f所示，λmax在q_1B处的峰值随着小电子掺杂先增加后减少，最后在空穴袋被压到费米能级以下时消失。

图4. MoTe₂中的费米面嵌套和超导性

研究者在双层MoTe₂的铁电体系中发现了可调谐的Tc，说明这种材料是一个很有前途的平台，可以通过掺杂和位移场两个独立且高度精确的旋钮来控制一种不寻常的二维超导。同时，铁电相变中超导电性的离散开关为具有超导相一阶开关的量子器件开辟了新的可能性。研究者预料，这些效应将对层厚度和扭曲角有一个有趣的依赖性，扭曲角调节反转对称性破坏的程度；这种效应还存在于其他非中心对称二维超导体中。使用与晶格耦合的超快电磁激励来控制这些性质，也是一个很有吸引力的前景。

文献链接：

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

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