离子液体插层导致的外尔半金属拓扑及超导性质的双重调控

 

       使拓扑材料具有超导电性是实现拓扑超导的一个重要途径。Td相的MoTe2和WTe2不仅具有新颖的拓扑性质,而且其物理特性紧密依赖于层间耦合作用的强弱。清华大学物理系周树云研究组与于浦研究组合作,利用离子液体阳离子插层方法制备有机-无机复合新材料,通过调控层间耦合作用实现对MoTe2和WTe2拓扑及超导性质的双重调控。相关科研论文以”Enhancement of superconductivity in organic-inorganic hybrid topological materials”为题于Science Bulletin上在线发表。

       降低层状材料的维度是实现拓扑和超导性质调控的重要手段。例如,单晶三维体材料的MoTe2和WTe2是典型的第二类外尔半金属(三维拓扑半金属的一种),而其对应的单层薄膜则是具有量子自旋霍尔效应的二维拓扑绝缘体;虽然体材料的WTe2不具备超导性质,单层的WTe2却存在临界转变温度为0.82K的超导相变。然而,通过机械剥离得到的单层样品不仅产率低、性质不稳定,而且超导转变温度极低。发展更有效的层间耦合作用调控手段,制备稳定的样品并且实现对其拓扑和超导等物理性质的调控,是一个重要的科学问题。

 

(a) 通过插层方法调控层间耦合作用的示意图。 (b) 通过对层间耦合作用的调控,可以实现能带拓扑性质从三维拓扑外尔半金属到三维弱拓扑绝缘体的转变,同时还能产生或者增强超导。(c) XRD衍射结果表明插层后的层间距从6.9增大到11.3。(d) 输运测量表明插层后的样品显示出转变温度高达7.0 K的超导电性。

 

       周树云研究组和于浦研究组的研究人员通过一种新颖的实验方法,在MoTe2和WTe2单晶样品插入离子液体的有机阳离子,制备出层间距可调、性质稳定且超导增强的有机-无机复合样品。离子液体被广泛应用于调控材料的载流子浓度,近年来被拓展到H+和O2-等离子的调控,然而通过电化学反应把离子液体中尺寸更大(3埃以上)的有机阳离子插入到层状材料中形成复合材料则是一个新颖的发现。这种离子液体插层方法把离子液体对层状材料的调控进一步拓展到对层间耦合作用的调控,通过制备有机阳离子-无机层状材料,实现对材料拓扑及超导性质的调控,并且得到的复合材料具有比单层样品更好的稳定性。插层后的MoTe2样品层间距增大,层间耦合作用弱,因此可以看成是很多层彼此之间无耦合作用的二维拓扑绝缘体的堆垛,在拓扑性质上属于三维弱拓扑绝缘体。此外,通过插层方法,使MoTe2样品的超导转变温度从0.25K大幅提高到了7K,与单层MoTe2的最高超导转变温度(8K)接近。更有意思的是,对于WTe2来说,插层后的样品的超导转变温度提高到了2.3K,是具有量子自旋霍尔效应的单层WTe2超导转变温度(0.82K)的2.8倍。这表明对有些材料而言,通过插层方法降低层间耦合作用是一个比降低维度更具优势的提高超导转变温度的途径。

       拓扑材料MoTe2和WTe2样品中通过插层离子液体中的有机阳离子实现对其拓扑及超导性质的双重调控,将为后续研究拓扑超导、实现马约拉纳零模提供新的机遇。同时,离子液体有机阳离子插层这一方法具有普适性,可以广泛适用于各种层状材料,例如NbSe2、TaS2、TaSe2、石墨等。这种新方法的应用以及有机-无机复合新样品的制备,将为在层状材料中探索和实现新颖物理性质带来更多的机遇。

       该工作的第一作者为清华大学物理系的张浩雄、阿瓦拜克力·肉苏里、沈胜春,通讯作者为周树云和于浦。合作者有清华大学物理系段文晖、徐勇研究组,清华大学高等研究院的姚宏教授以及清华-富士康纳米科技研究中心的吴扬博士。

       文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319306656