高研院姚宏研究组揭示莫尔超晶格体系中非常规超导的微观机制
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清华新闻网11月21日电 近日，清华大学高等研究院姚宏教授研究组发文，在理论上揭示转角双层二硒化钨（tWSe2）体系中可能的拓扑超导等非常规超导电性及关联绝缘相的微观机制。
莫尔超晶格因其能带及关联等物性特征的高度可调，近年来已成为研究新奇量子物态的最重要实验平台之一。然而，在过去较长时间里，超导电性仅在基于石墨烯的莫尔体系中被实验观测到，而在另一类同样重要的过渡金属硫族化合物（TMD）莫尔超晶格中却始终未能实现。直至近期的实验研究才首次在tWSe2中观测到非常规超导及其邻近的关联绝缘相，这一突破性进展立即引发了广泛的理论关注。值得注意的是，在3.65° tWSe2的实验中，超导出现在ν=−1整数填充处，且超导与绝缘相的相变由位移电场调控，这一现象明显不同于传统电荷掺杂诱导的超导；此外，基于第一性原理的连续模型研究表明，3.65° tWSe2的最高莫尔价带可能具有非平凡的能带拓扑。因此，理解这一莫尔TMD体系中的非常规超导及其邻近绝缘相的微观机制不仅有助于揭示这一新体系中超导的独特特性，也为探索能带拓扑与超导之间的联系提供了契机。
图1.转角双层WSe2形成的莫尔超晶格示意图，展示MM/MX/XM堆叠位置、局域原子构型以及莫尔布里渊区
在本研究中，姚宏研究组构建了能准确反映莫尔能带色散及非平庸拓扑的实空间多轨道格点模型，并在该模型中考虑最主导的Hubbard排斥相互作用，结合随机相位近似（RPA）分析引入次近邻有效吸引相互作用，得到能准确反映tWSe2微观特性的相互作用格点模型，为系统研究tWSe2中非常规超导和关联绝缘相的微观机制提供了理论基础。基于该模型，本研究进行了系统的理论分析与平均场计算。在超导相方面，由于体系具有时间反演对称性，费米面存在库珀不稳定性，无穷小的吸引相互作用即可诱导超导配对；且由于自旋-能谷SU(2)对称性的缺失，单态与三重态配对将会混合出现。在关联绝缘相方面，本研究考虑了较强Hubbard相互作用驱动的磁有序，结合费米面近似嵌套的特征，体系倾向于形成120°反铁磁序。平均场结果表明：在较小位移电场条件下，体系基态为手性拓扑超导态，配对对称性为手性d波与手性p波的混合，且具有非零的陈数C=2；在较大位移电场下，系统形成120°反铁磁序。在不同参数条件下，可能出现直接的超导-绝缘相变，也可能通过反铁磁金属中间相进行过渡（如下图所示）。
图2.3.65° tWSe2在ν=−1的平均场相图，包含超导态（SC）、反铁磁绝缘态（AFM-I）与反铁磁金属态（AFM-M）
研究结果成功解释了实验观测到的关键特征，揭示了能带拓扑与超导性质的内在联系，为tWSe2中可能的拓扑超导等非常规超导与关联绝缘相的微观机制提供了统一的理论框架。本研究进一步提出了可能的验证途径，包括通过热霍尔输运和相位敏感实验等，为未来拓扑超导的探索奠定了基础以及为未来拓扑量子计算提供了新的可能途径。
研究成果以“扭曲双层WSe2的拓扑超导和反铁磁相关绝缘子理论”（Theory of topological superconductivity and antiferromagnetic correlated insulators in twisted bilayer WSe2）为题，于10月28日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学高等研究院2021级博士生陀础熠和李鸣睿为论文共同第一作者，高等研究院教授姚宏为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金委员会理论物理专项、科技部重点研发项目、新基石科学基金会“科学探索奖”等的资助。
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