摻雜的Mott絕緣體，展示了一些有趣的物質(zhì)量子相，包括量子自旋液體、非常規(guī)超導(dǎo)體和非費(fèi)米液體金屬等。當(dāng)流動(dòng)電子接近莫特絕緣態(tài)時(shí)，這種相位經(jīng)常出現(xiàn)，因此，具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性。

不同范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)層之間的接近，自然地形成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可用于研究局域、相關(guān)電子和流動(dòng)電子之間的關(guān)系。

在此，來自以色列巴伊蘭大學(xué)的Eylon Persky & Beena Kalisky等研究者通過研究二硫化鉭41Hb-TaS₂的磁繪景來探索這一關(guān)系，它實(shí)現(xiàn)了候選自旋液體和超導(dǎo)體的交替疊加。相關(guān)論文以題為“Magnetic memory and spontaneous vortices in a van der Waals superconductor”于2022年07月27日發(fā)表在Nature上。

在范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同材料層之間的接近，可以被利用來產(chǎn)生新的物質(zhì)狀態(tài)，或者使用一層來探測(cè)另一層的性質(zhì)。事實(shí)上，當(dāng)不相關(guān)的電子系統(tǒng)堆疊在一起時(shí)，相關(guān)的絕緣、超導(dǎo)、向列和時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱破缺態(tài)就會(huì)出現(xiàn)。因此，將強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)作為其組成部分的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有希望實(shí)現(xiàn)以前未知的相位或找到層之間的耦合機(jī)制。一組特別有趣的基態(tài)配對(duì)是超導(dǎo)體和莫特絕緣體。當(dāng)摻雜破壞Mott絕緣體時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)非常規(guī)的超導(dǎo)現(xiàn)象，但當(dāng)這兩相作為單獨(dú)的構(gòu)建模塊堆疊時(shí)，它們?nèi)绾蜗嗷プ饔萌杂写剿鳌?/span>

這種組合在4Hb-TaS₂中自然地實(shí)現(xiàn)了，其中二硫化鉭(TaS₂)的兩個(gè)二維(2D)結(jié)構(gòu)，八面體(1T)和三角棱柱體(2H)交替疊加10(圖1a,b)。在體態(tài)下，2H-TaS₂是一個(gè)臨界溫度T_c = 0.7 K的超導(dǎo)體，而1T-TaS₂是一個(gè)相關(guān)絕緣體，電子定域在三角形晶格上，預(yù)計(jì)具有量子自旋-液體基態(tài)。這一建議，得到了介子自旋弛豫(SR)和核磁共振測(cè)量的支持，它們沒有發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)程磁序。此外，雖然電阻率清楚地顯示絕緣行為，剩余比熱，熱導(dǎo)率和掃描隧道顯微鏡測(cè)量表明無(wú)間隙中性激發(fā)。綜合這些結(jié)果，這些結(jié)果指向1T-TaS₂體的無(wú)間隙自旋-液體基態(tài)。

圖1. 4Hb-TaS₂中的自發(fā)渦旋相

最近掃描隧道顯微鏡對(duì)TaS₂和TaSe₂的1T/1H異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究揭示了1T和1H層中局域電子和流動(dòng)電子之間的近藤耦合。這種相互作用，可以通過與1H層的平均場(chǎng)雜化將1T絕緣體熔化成金屬，類似于摻雜自旋液體，使各種基態(tài)成為可能。

事實(shí)上，與體積2H多態(tài)相比，4Hb-TaS₂的超導(dǎo)相是反常的：它的臨界溫度上升到2.7 K左右，并且在T_c以下打破了時(shí)間反演對(duì)稱性。1T層的命運(yùn)特別有趣。它們可能有磁性，或者由于電荷轉(zhuǎn)移到1H層而變成金屬，使莫特物理變得無(wú)關(guān)緊要?；蛘撸谥虚g耦合時(shí)，它們可以保持無(wú)間隙的自旋-液狀態(tài)或具有不同的自旋-液順序。最近的數(shù)值研究表明，中間耦合的基態(tài)可能是手性自旋液體(CSL)。輕摻雜的CSL，可能會(huì)讓位于手性超導(dǎo)和手性金屬豐度。

在此，研究者利用掃描超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)顯微鏡對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了研究。研究者分析了樣品在超導(dǎo)相和正常相以及在小外部磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)分布。在超導(dǎo)相中，時(shí)間反演對(duì)稱破缺(TRSB)表現(xiàn)為自發(fā)的渦旋相。自發(fā)渦旋相的磁和熱歷史表明，TRSB持續(xù)到3.6 K，高于超導(dǎo)躍遷。

令人驚訝的是，研究者發(fā)現(xiàn)這個(gè)TRSB有序，使用常規(guī)技術(shù)可以檢測(cè)到，在正常狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生鐵磁特征。這些結(jié)果，與傳統(tǒng)的鐵磁有序或傳統(tǒng)的磁與超導(dǎo)之間的耦合不一致。雖然研究者不能確定超導(dǎo)相和TRSB相的序參量，但研究者提出了在1T層中的CSL，可作為一個(gè)候選的TRSB相。該研究結(jié)果表明，在范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)相關(guān)組分之間的接近，可以產(chǎn)生新的電子相。

圖2. 磁滯

圖3. 在正常狀態(tài)下沒有磁信號(hào)

綜上所述，研究者證明了交替堆疊化合物4Hb-TaS₂在正常狀態(tài)下支持不尋常的TRSB相。這種磁記憶，在超導(dǎo)狀態(tài)下產(chǎn)生自發(fā)的渦旋相，而在正常狀態(tài)下不產(chǎn)生磁特征。這個(gè)TRSB序與先前報(bào)道的存在于超導(dǎo)體附近的所有磁態(tài)不一致——鐵磁性、環(huán)電流階和殘留手性階。

這種磁相產(chǎn)生的自發(fā)渦旋，為探索非常規(guī)磁性和超導(dǎo)之間的耦合提供了一種簡(jiǎn)單易行的方法，這是高溫超導(dǎo)體、扭曲雙層石墨烯、自旋-液態(tài)金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)和Kagome超導(dǎo)體等系統(tǒng)共同面臨的難題。

未來對(duì)4Hb-TaS₂的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該確定其超導(dǎo)態(tài)是否確實(shí)是非常規(guī)的，并研究體磁態(tài)與最近在表面報(bào)道的拓?fù)涑瑢?dǎo)之間的聯(lián)系。在其他系統(tǒng)中，研究者的結(jié)果表明，Mott絕緣體和其他受挫磁態(tài)可以通過耦合到超導(dǎo)體有效地探測(cè)。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04855-2