近年來，隨著電荷密度波(CDW)和超導性(SC)研究的深入，二維過渡金屬硫族化合物(TMD)，如雙層六方相過渡金屬二硫屬化物（2H-MX2）等受到了人們的關注。因為這一系列物質的CDW轉變溫度從2H-TaSe2的120 K下降到80 K，2H-NbSe2的下降到30 K，但在2H-NbS2中卻沒有CDW轉變溫度，而超導臨界溫度（TC）從2H-TaSe2的0.2 K提高到2H-NbSe2和2H-NbS2的7.2 K和6 K。雖然這些性質被廣泛研究，但SC的起源尚未揭示，近日，中國科學院物理研究所/中國科學院大學王志俊等人基于第一性原理計算并分析能帶表示，證明了單層的1H-MX2是一類非常規(guī)金屬并具有一定的超導性，詳細計算得出這一體系中的單層TaNS和體相2H-TaN2兩種超導體的TC分別為10 K和26 K。
1、作者發(fā)現1H或2H相具有MX2通式的TMD在費米能級處有一個半填充的空位基本能帶表示（EBR，電子在能級之間如何移動），強EPC可能源于非常規(guī)電子結構的量子幾何貢獻。
2、研究結果表明，非常規(guī)金屬中的空位帶對于電子-聲子耦合和超導性至關重要，基于此，作者預測了非常規(guī)金屬單層TaN2和體相2H-TaN2的SC（TC）分別為10 K（26 K）。
3、非常規(guī)金屬中空位EBR的部分填充可以產生強EPC，因為費米能級和聲子模式在空間上重合，這種非常規(guī)金屬為尋找超導體提供了理想的平臺。
計算方法
作者使用QUANTUM ESPRESSO（QE）軟件包中PBE泛函描述電子相互關聯(lián)能，而電子－離子相互作用則使用投影綴加平面波（PAW）方法描述。本文動力學矩陣和電子－聲子耦合都是基于密度泛函微擾理論（DFPT）框架利用QE軟件包進行計算的。超導體臨界溫度的計算則是采用QE軟件包中Allen及Dynes修改后的McMillian公式，電子態(tài)的不可約表示運用IR2PW代碼進行計算。
2H-MX2的空間群為P63/mmc（如圖1a），而作者主要討論單層2H-MX2（1H相）。NbSe2和TaS2的能帶結構分別如圖1b和c所示，能帶不可約表示表明較低的6個能帶對應硫原子的p軌道。作者使用不同的高斯涂抹參數來模擬不同的溫度，得到的聲子譜如圖1d，e所示。在高溫下，NbSe2和TaS2是穩(wěn)定的，沒有虛頻，而低溫下，Γ-M上存在一個軟聲子模帶。
兩種原子軌道能帶表示（ABR）的混合產生了半占據態(tài)和未占據態(tài)，如圖2a所示。圖2b中展示了代表性的NbSe2的投影能帶結構，能夠看出其費米能級由Nb-dz2軌道以及Nb-dxy , x2-y2軌道組成。為研究1H-NbSe2的SC性質，作者計算了高斯涂抹為0.02 Ry時1H-NbSe2的電子-聲子耦合（EPC），如圖2c中洋紅色圓圈所示，能夠看出M點附近的軟聲子模有較大的電子-聲子耦合常數（λqν）。同時，M點附近軟聲子模的存在也會導致1H-NbSe2具有強EPC，在能帶部分填充的情況下，費米能級主要集中在空位的位置。另一方面，這種聲子模式強烈擠壓圖2d中的空位位置，聲子模與費米能級的重合產生強EPC，最終會導致其超導性質極其不穩(wěn)定。進一步，在圖2d中繪制了M點對應聲子振動模式的側視圖和俯視圖，以分析有利于EPC的振動模式，結果表明，M點的軟聲子模是由于平面內振動的Nb原子導致的。
為了研究雜質原子摻雜所引發(fā)的效應，作者計算了NaNbX2和1H-MoX2的電子結構和聲子色散，NaNbSe2的晶體結構如圖3b圖所示，接著從圖3a，b的電子結構和聲子色散可以看出沒有虛頻，表明Na插入后結構依然穩(wěn)定。另一方面，當Mo原子取代Nb原子時，聲子頻率沒有出現負值，如圖3c，d所示。表明在電子摻雜化合物中，軟聲子模的存在與空位EBR的半填充有關，電子摻雜可以穩(wěn)定晶體結構，抑制CDW突變。
由于空位EBR的部分填充會導致強電子-聲子耦合和超導性的產生。作者預測了單層TaNS中的超導性，電子結構如圖4a，在費米能級處存在一個半填充的空位EBR，用藍色表示。計算聲子譜如圖4b所示。聲子譜中不存在虛頻率，表明該結構的穩(wěn)定性，從計算的電子-聲子耦合常數、Eliashberg譜函數和頻率耦合可以看出，電子-聲子耦合常數主要由100 cm?1附近聲子模式貢獻，而后，作者利用Allen-Dynes修正的McMillian方程估計了單層TaNS的超導轉變溫度。
此外，作者還預測了另一種具有超導性的非常規(guī)金屬2H-TaN2，并計算得到的2H-TaN2的電子結構（圖5a）。聲子譜計算表明，當高斯涂抹σ=0.02 Ry時，2H-TaN2是穩(wěn)定的，如圖5b所示。在μ*=0.10，λ=1.04的條件下，利用Allen-Dynes修正McMillan方程，計算出體相2H-TaN2的TC為26 K，接近McMillan極限(~40 K)。由于強N-N鍵的存在，N原子沿z方向的振動頻率高于500 cm?1。因此，N原子的面內振動模式與費米能級附近的電子態(tài)耦合，產生高EPC常數。
Yang, Z., Sheng, H., Guo, Z. et al. Superconductivity in unconventional metals. npj Comput Mater 10, 25 (2024).
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