科學家發現一種潛在的拓撲超導體材料——層狀2M相硫化鎢

由于豐富的晶體結構和較強的自旋軌道耦合及其導致的多種奇特的電子結構和物理化學特性，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注。根據層內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型的2H相、具有八面體構型的1T相以及面內化學配位扭曲形成的1T’相等。金屬原子M沿著面內某個方向發生位移，使得1T’相在面內形成M-M鋸齒鏈結構。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構的塊體材料。目前已知的兩種由1T’單層堆垛得到的塊體晶體結構包括單斜晶系的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，同時在高壓下會表現出超導特性。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所、南京大學和中國科學院上海微系統與信息技術研究所等單位合作，發現了一種具有全新堆垛結構的2M相WS₂，該材料表現出不同于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的方法，首先合成出高質量的前驅體三元插層化合物K_0.7WS₂，然后在一個溫和的氧化性環境中將K離子抽離出材料母體，最終得到毫米級的2M WS₂單晶。通過輸運測試發現2M WS₂具有8.8 K的超導轉變溫度，該轉變溫度為本征TMD（過渡金屬二硫屬化物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。這是首次在TMD材料體系中發現這種狄拉克錐型的拓撲表面態，完全不同于T_d WTe₂和T_d MoTe₂外爾半金屬態。更為重要的是，由于拓撲表面態與體相超導的共存，2M WS₂成為一種非常有前景的層狀拓撲超導體候選者。相關研究成果以Discovery of Superconductivity in 2M WS₂ with Possible Topological Surface States 為題發表于國際期刊《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、南京大學教授張海軍和上海微系統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計劃、國家自然科學基金、中科院重點研究項目、霍英東教育基金、中科院青年創新促進會和上海市科委等的資助和支持。