第一種二維材料 既可作為拓?fù)浣^緣體也可作為超導(dǎo)體

基于夾在氮化硼之間的二維材料鎢二碲化物(WTe 2)的晶體管可以在兩種不同的電子狀態(tài)之間切換 - 一種僅沿其邊緣傳導(dǎo)電流，使其成為拓?fù)浣^緣體，并且在沒有電阻的情況下傳導(dǎo)電流麻省理工學(xué)院的研究人員和來自其他四個機構(gòu)的同事已經(jīng)證明了它是超導(dǎo)體。

研究人員使用四探針測量，一種測量材料電子行為的常用量子電子傳輸技術(shù)，繪制了二維鎢二碲化物晶體管的電流承載能力和電阻特性，并證實了他們在一系列外加電壓和外部電壓下的發(fā)現(xiàn)極低溫度下的磁場。

“這是第一次將完全相同的材料調(diào)整為拓?fù)浣^緣體或超導(dǎo)體，” 麻省理工學(xué)院Cecil和Ida Green物理教授Pablo Jarillo-Herrero說 。“我們可以通過使用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電介質(zhì)的常規(guī)電場效應(yīng)來實現(xiàn)這一點，因此基本上與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體電子設(shè)備中使用的技術(shù)類型相同。”

新類材料

“這是一種新型材料中的第一種 - 可以通過電氣調(diào)諧到超導(dǎo)體的拓?fù)浣^緣體 - 這可以在實現(xiàn)重大障礙之前開啟許多可能性，”Jarillo-Herrero說。“有一種材料可以在同一種材料中無縫地完成，以便在這種拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體之間轉(zhuǎn)換，這是非常有吸引力的。”

鎢二碲化物是過渡金屬二硫化物材料之一，被歸類為半金屬，并且像散裝形式的金屬一樣導(dǎo)電。新發(fā)現(xiàn)詳細(xì)說明，在單層晶體形式中，在小于1開爾文至液氮范圍(-320.4華氏度)的溫度下，鎢二碲化物具有三個不同的相：拓?fù)浣^緣，超導(dǎo)和金屬。施加的電壓驅(qū)動這些相之間的過渡，這些過渡隨溫度和電子濃度而變化。在超導(dǎo)材料中，電子在沒有電阻的情況下流動而不產(chǎn)生熱量。

新發(fā)現(xiàn)已在線發(fā)表 在“ 科學(xué) ”雜志上 。現(xiàn)任耶魯大學(xué)博士后的Valla Fatemi博士，以及麻省理工學(xué)院Pappalardo研究員博士后三十五，與該資深作者Jarillo-Herrero共同撰寫了該論文的第一作者。合著者是麻省理工學(xué)院研究生袁曹; 法國ÉcolePolytechnique的前博士后Landry Bretheau; 英國利物浦大學(xué)的Quinn D. Gibson; 國立材料科學(xué)研究所的渡邊健次和谷口隆; 和普林斯頓大學(xué)化學(xué)教授Robert J. Cava。

像量子線一樣

這項新工作建立在 研究人員的一份報告的基礎(chǔ)上，該 報告展示了量子自旋霍爾效應(yīng)(QSH)，它是二維拓?fù)浣^緣體的標(biāo)志性物理現(xiàn)象，在同一單層鎢二碲化物材料中。該邊緣電流由電子的自旋而不是由它們的電荷控制，并且相反自旋的電子在相反的方向上移動。這種拓?fù)湫再|(zhì)在低溫下始終存在于材料中。

這種量子自旋霍爾效應(yīng)持續(xù)到約100開爾文(-279.67華氏度)的溫度。“所以它是迄今為止溫度最高的2-D拓?fù)浣^緣體，”博士后三峰吳說，他也是早期論文的第一作者。“對于這樣一個有趣的量子態(tài)來說，在高溫下生存以用于應(yīng)用是非常重要的。”

這種行為，其中鎢二碲化物材料的邊緣像量子線一樣， 在2014年由物理學(xué)副教授梁甫和核科學(xué)與工程與材料科學(xué)與工程教授朱莉 的理論論文中預(yù)測。尋求具有這些品質(zhì)的材料用于自旋電子和量子計算裝置。

雖然在高達(dá)100開爾文時觀察到拓?fù)浣^緣現(xiàn)象，但新工作中的超導(dǎo)行為發(fā)生在約1K的低得多的溫度下。

該材料的優(yōu)點是，對于任何2-D超導(dǎo)體，其具有最低電子密度之一的超導(dǎo)狀態(tài)。“這意味著使其成為超導(dǎo)體所需的小載流子密度是可以通過正常電介質(zhì)，常規(guī)電介質(zhì)和使用小電場引起的，但Jarillo-Herrero解釋說。

在第一篇論文中解決二維鎢碲化物拓?fù)浣^緣行為的發(fā)現(xiàn)，以及第二篇中超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，吳說，“這些是雙胞胎論文，每一篇都是美麗的，它們組合起來可以非常強大“吳建議研究結(jié)果指出了研究二維拓?fù)洳牧系姆椒?，并可能為拓?fù)淞孔佑嬎銠C的新物質(zhì)基礎(chǔ)開辟道路。

鎢二碲化物晶體在普林斯頓大學(xué)(Princeton University)生長，而氮化硼晶體在國立材料科學(xué)研究所(National Institute for Materials Science)生長。麻省理工學(xué)院的團隊建立了實驗裝置，在超低溫下進(jìn)行了電子傳輸測量，并對研究所的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

同時發(fā)現(xiàn)

Jarillo-Herrero指出，使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體納米加工和電場效應(yīng)技術(shù)可以將單層鎢二碲化物調(diào)諧成超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)同時由一群競爭對手實現(xiàn)，包括華盛頓大學(xué)的David Cobden教授和Joshua Folk副教授在不列顛哥倫比亞大學(xué)。(他們的 文章 - “單層拓?fù)浣^緣體中的柵極誘導(dǎo)超導(dǎo)” - 在Science First Release上同時發(fā)表 。)

“這是兩組獨立完成的，但我們都做了同樣的發(fā)現(xiàn)，”Jarillo-Herrero說。“這是最好的事情，你的重大發(fā)現(xiàn)立即被復(fù)制。它給社區(qū)帶來了額外的信心，這是非常真實的。“

Jarillo -埃雷羅當(dāng)選為 同胞 基于二維材料和器件的量子電子傳輸和光電子他的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)今年早些時候，物理學(xué)會。

走向量子計算

這種新功能可能有用的特定領(lǐng)域是在拓?fù)浣^緣和超導(dǎo)材料的界面處實現(xiàn)Majorana模式。物理學(xué)家在1937年首次預(yù)測，Majorana費米子可以被認(rèn)為是電子分裂成兩部分，每一部分都表現(xiàn)為一個獨立的粒子。這些費米子在自然界中尚未被發(fā)現(xiàn)為基本粒子，但可以在絕對零溫度附近的某些超導(dǎo)材料中出現(xiàn)。

“從物理學(xué)的基本觀點來看，它本身很有意思，此外，它有望成為拓?fù)淞孔佑嬎愕呐d趣，拓?fù)淞孔佑嬎闶且环N特殊類型的量子計算，”Jarillo-Herrero說。

Majorana模式的獨特之處在于當(dāng)他們交換位置時他們的異國行為，物理學(xué)家稱之為“編織”的操作，因為這些交換粒子的時間依賴性痕跡看起來像辮子。編織操作不能改變像電子或光子這樣的規(guī)則粒子的量子態(tài)，但是編織Majorana粒子完全改變了它們的量子態(tài)。這種被稱為“非阿貝爾統(tǒng)計”的不尋常屬性是實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎銠C的關(guān)鍵。在一個位置固定Majorana模式也需要磁隙。

“這項工作非常漂亮，” 加州理工學(xué)院理論物理學(xué)教授Jason Alicea說 ，他沒有參與這項研究。“工程Majorana模式所需的基本成分 - 超導(dǎo)性和磁性邊緣狀態(tài)的間隙 - 現(xiàn)已在WTe 2中單獨論證。”

“此外，通過門控觀察內(nèi)在超導(dǎo)性可能是Majorana模式的高級應(yīng)用的一個重要福音，例如編織以證明非阿貝爾統(tǒng)計。為此，人們可以設(shè)想通過靜電手段設(shè)計復(fù)雜的，動態(tài)可調(diào)的超導(dǎo)量子自旋霍爾邊緣狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。“Alicea說。“可能性非常令人興奮。”