在众多量子材料中，电荷可能通过不同方式来达到最低能态，比如进行配对—从而表现出超导电性，或者周期性的聚集在空间中特定位置—从而呈现出电荷序或电荷密度波。二硒化钛是近年来颇受关注的一种量子材料。它存在电荷密度波并且表现出激子玻色爱因斯坦凝聚的迹象。在化学、电荷掺杂或者压力诱导下，二硒化钛还可以出现超导电性。物理系张定/薛其坤研究团队通过研究二硒化钛在锂离子插层下演生出的超导电性，观测到了一种空间周期性调制的奇异超导态。同时，他们发现这一现象与另一个被称为反常金属的量子态的出现紧密相关，这为理解后者的产生机制提供了重要线索。该研究成果以“锂插层二硒化钛超导体中电阻振荡和反常金属态的共存”（Coexistence of resistance oscillations and the anomalous metal phase in a lithium intercalated TiSe2 superconductor）为题发表在9月9日的《自然·通讯》(Nature Communications)上。
对材料进行离子注入将深刻地改变其电学、磁学、光学等物性。近年来，人们发展出了多种电场可控的离子调控技术，拓展了实现新材料、发现新物性的手段。张定/薛其坤研究团队前期利用离子固体/液体调控技术，与合作者们在铜氧化物高温超导中开展调控并取得了系统性的结果[M. Liao et al., Nano Letters 18, 5660 (2018), M. Rafique et al., Nano Letters 19, 7775 (2019)]。在此基础上，研究团队的廖孟涵和汪恒对固态调控技术进行了优化，并且首次将其与极低温旋转测量以及原子力显微镜等技术相结合，为开展量子材料的调控和新量子现象的研究铺平了道路。
图1a,离子固体调控器件以及二硒化钛晶格的示意图。b,扣除平滑背底后的电阻振荡的数据。空心圆点标注出了反常金属态出现的温度。c,实验观察到的反常金属现象，表现为低温区间的电阻平台。d,不同超导体系的厚度和反常金属态出现的温度关系。红色菱形标出了本工作中研究的材料。
在最新的这项工作中，研究团队通过锂离子插层，在近50纳米厚的二硒化钛中实现了超导。在随后的实验中，他们发现样品在磁场下由超导态向正常态转变过程中电阻出现了周期性的振荡。这说明超导受到了空间中周期性结构的调制。相似的结果此前只有在原子极限下的二硒化钛（0.6纳米）中被观察到过一次。而且，厚层二硒化钛中的周期性结构随温度、掺杂的演化与此前结果截然不同。这些新实验结果将极大推动人们进一步厘清周期性超导态的产生机理。有意思的是，在这一奇异超导态被观测到的同一磁场、温度、掺杂的相空间，研究团队还观测到了通常只存在于二维超导中的反常金属态。为了解释这一共存现象，研究团队提出，正是由于厚层二硒化钛中出现了空间周期性结构，从而增强了本来由于维度上升而被抑制的量子涨落，使得该材料也出现了反常金属态。除了发现新奇量子态，该工作也为开展离子调控下实空间的探测奠定了基础。
文章的第一作者是物理系2020届博士毕业生廖孟涵，合作者还包括清华物理系博士生汪恒、张浩副教授和杨乐仙副教授，北京量子信息科学研究院的朱玉莹助理研究员、尚汝南副研究员和Mohsin Rafique助理研究员。该工作得到了国家自然科学基金委员会、国家科技部、和北京未来芯片技术高精尖创新中心等的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25671-8
