科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種潛在的拓撲超導(dǎo)體材料——層狀2M相硫化鎢

由于豐富的晶體結(jié)構(gòu)和較強的自旋軌道耦合及其導(dǎo)致的多種奇特的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性，以MoS₂為代表的VIB族層狀過渡金屬二硫族化合物MX₂ (M= Mo, W; X= S, Se, Te)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。根據(jù)層內(nèi)的配位和層面的堆垛情況，該類化合物可以分為具有三棱柱構(gòu)型的2H相、具有八面體構(gòu)型的1T相以及面內(nèi)化學(xué)配位扭曲形成的1T’相等。金屬原子M沿著面內(nèi)某個方向發(fā)生位移，使得1T’相在面內(nèi)形成M-M鋸齒鏈結(jié)構(gòu)。這種單層1T’相可以通過不同的堆垛方式獲得具有不同晶體結(jié)構(gòu)的塊體材料。目前已知的兩種由1T’單層堆垛得到的塊體晶體結(jié)構(gòu)包括單斜晶系的1T’相和正交晶系的T_d相。由于存在反演對稱破缺，T_d相的MoTe₂和WTe₂是第二類外爾半金屬，在輸運上具有大的不飽和磁阻效應(yīng)，同時在高壓下會表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等單位合作，發(fā)現(xiàn)了一種具有全新堆垛結(jié)構(gòu)的2M相WS₂，該材料表現(xiàn)出不同于1T’（空間群P2₁/m）和T_d（空間群Pnm2₁）的堆垛方式，空間群為單斜形式的C2/m，且具有反演對稱中心。研究人員通過拓撲化學(xué)的方法，首先合成出高質(zhì)量的前驅(qū)體三元插層化合物K_0.7WS₂，然后在一個溫和的氧化性環(huán)境中將K離子抽離出材料母體，最終得到毫米級的2M WS₂單晶。通過輸運測試發(fā)現(xiàn)2M WS₂具有8.8 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，該轉(zhuǎn)變溫度為本征TMD（過渡金屬二硫?qū)倩?/span>transition-metal dichalcogenide）材料中最高的。理論計算表明該材料的能帶中存在受拓撲不變量Z₂保護的具有狄拉克錐特征的拓撲表面態(tài)。這是首次在TMD材料體系中發(fā)現(xiàn)這種狄拉克錐型的拓撲表面態(tài)，完全不同于T_d WTe₂和T_d MoTe₂外爾半金屬態(tài)。更為重要的是，由于拓撲表面態(tài)與體相超導(dǎo)的共存，2M WS₂成為一種非常有前景的層狀拓撲超導(dǎo)體候選者。相關(guān)研究成果以Discovery of Superconductivity in 2M WS₂ with Possible Topological Surface States 為題發(fā)表于國際期刊《先進材料》雜志上（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201901942）。上海硅酸鹽所在讀博士研究生方裕強和南京大學(xué)在讀博士研究生張冬芹為該論文共同第一作者；上海硅酸鹽所研究員黃富強、南京大學(xué)教授張海軍和上海微系統(tǒng)所副研究員牟剛為該文共同通訊作者。

上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院重點研究項目、霍英東教育基金、中科院青年創(chuàng)新促進會和上海市科委等的資助和支持。

MX₂的晶體結(jié)構(gòu)示意圖：a, 2H相；b, 1T相；c，1T相單層；d，塊體1T’相；e，T_d相；f，1T’單層。

a, 2M WS₂的晶體結(jié)構(gòu)；b, 超導(dǎo)特性；c, 拓撲態(tài)；d, 2M WS₂物性示意圖。

轉(zhuǎn)載于  http://www.cas.cn/syky/201906/t20190611_4694801.shtml