在同一种二维材料中发现超导性和铁电性

对于二维材料，最好期待意想不到的情况。哥伦比亚大学的研究人员在《自然》杂志上撰文发现，有证据表明两种相互竞争的现象——超导性和铁电性——可以在同一种材料中发生。“这是第一次发现铁电性和超导性之间的可调开关，”通讯作者DanielRhodes说。“我们还没有完全理解它，但它肯定存在。”

罗兹现在是威斯康星大学的助理教授，他特别擅长生长高质量的晶体，这些晶体可以被剥离成原子薄层，以探索二维空间中可能出现的不寻常特性。作为博士，他开始研究相关材料——MoTe2。佛罗里达州的学生。当他于2016年作为博士后研究员加入哥伦比亚国家科学基金会资助的材料研究与科学工程中心(MRSEC)时，他和同事在单层MoTe2中发现了超导性(电流的无电阻传输)的初步证据。

效果是存在的，但并不像理论所暗示的那样容易操纵，因此罗兹和MRSEC开始探索材料堆。他们发现超导性在双层系统中更容易控制，它还具有独特的结构特征：它不是对称的。第一作者、哥伦比亚大学物理学博士ApoorvJindal解释说，层之间的原子不排列，这应该会固有地产生一个内部电场，称为铁电性。学生在2019年搬到麦迪逊后继续Rhodes的材料研究。

超导性是导电金属的典型特征，而铁电性长期以来被认为只存在于绝缘材料中。然而，在2018年，华盛顿大学的研究人员与DavidCobden合作，在WTe2中发现了铁电金属的初步证据，WTe2是一种与MoTe2具有相同晶体结构的钨基材料。已经确认超导性发生在MoTe2中后，Jindal和Rhodes想知道铁电性是否也可能出现。

金达尔施加了一个电场，结果让他大吃一惊。“我转发给丹问，这可能吗?铁电超导体是否存在?”他回忆道。该团队对温度、磁场和静电掺杂进行了额外的测量，并发现了MoTe2内超导和铁电状态之间的可控转变。

“同时发现这两个属性是神奇的，”金达尔说，特别是考虑到构建样本所付出的努力。MoTe2是一种对空气和水极其敏感的材料，因此必须仔细准备各层，并在手套箱的范围内组合，然后密封，以防止在将它们运送到不同的仪器进行测试时暴露于周围环境。他说，仅仅为了完善一种能够保留双层MoTe2独特性能的制造工艺就花了六个月的时间。

超导状态本身也令人惊讶，特别是在电荷载流子数量通过门控改变时的表现方式。博士进行的理论建模。在明尼苏达大学教授TuranBirol和RafaelFernandes的指导下，学生AmartyaSaha认为超导不是传统类型，在这种类型中，原子的振动提供胶水，使电子形成相干对。“超导性需要两种类型的载流子(类电子和类空穴载流子)存在这一事实是电子相互作用重要性的一个明显标志，”费尔南德斯说。

由于超导性和铁电性都是材料本身所固有的，因此可能会有许多潜在的应用，特别是在量子计算和信息方面。例如，Jindal解释说，构建量子计算机的一种方法是将超导材料与中间的绝缘屏障结合起来，形成所谓的约瑟夫森结。使用单一材料(如MoTe2)而不是两种单独材料的能力有助于消除可能降低这些结效率的界面问题。材料可以在两种特性之间快速切换的速度也可能为量子逻辑应用带来希望。

Rhodes说，这些问题由工程师接管。包括哥伦比亚大学物理学家CoryDean和AbhayPasupathy以及工程师JamesHone以及明尼苏达大学的理论合作者在内的团队计划从这里开始探索这两个属性存在的原因以及如何控制它们。“到目前为止，仍有一些基础科学问题需要提出，我们只是还没有一个可以探索的系统——现在我们有了，”罗兹说。