中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所与强磁场科学中心组成的联合研究团队, 在过渡金属二硫属化物2H-MoS2的超高压研究中取得进展. 研究团队利用金刚石对顶砧高压发生装置, 通过低温电输运和同步辐射x射线衍射测量, 首次观测到高压诱导2Ha-MoS2的超导电性, 并通过密度泛函理论计算解释超导出现的微观机制, 相关结果以《2Ha-MoS2超高压下的超导电性》为题, 发表在《物理评论快报》上, 并被选为编辑推荐文章.
过渡金属二硫属化物MX2(M为过渡金属Ti, Nb, Ta, Mo, W; X为硫族元素S, Se, Te)具有和石墨类似的层状结构, 根据单胞中X-M-X三明治单层的数目及MX6配位多面体的不同, 可以分为1T, 1T′, Td, 2H等多形体, 其电子学基态涵盖电荷密度波, 莫特绝缘体, 激子绝缘体, 半导体, 半金属, 金属及超导等. 其中金属2H-NbS2, 2H-NbSe2, 2H-TaS2和2H-TaSe2常压下即表现电荷密度波和超导共存竞争的行为. 实验研究表明, 通过化学插层和施加外部压力均可抑制电荷密度波转变, 从而在激子绝缘体1T-TiSe2和莫特绝缘体1T-TaS2中诱导超导电性; 另外, 实验研究表明在无电荷密度波的外耳半金属Td-WTe2中通过施加外部压力也可以诱导超导电性. 半导体2Hc-MoS2常压下未发现电荷密度波转变, 实验上证实通过化学插层和施加静电场偏压可以诱导超导电性, 但迄今为止还没有压力诱导超导电性的实验证据.
该研究团队基于自主搭建的高压综合测试平台, 通过标准四引线低温电输运测量发现: 2Ha-MoS2在90GPa以上开始呈现超导电性, 超导转变临界温度Tc约为3K. 随着压力进一步升高, Tc急剧增加, 并在120GPa左右达到11K左右, 然后在130~220GPa压力范围内, Tc保持在12K左右不变. 高压同步辐射x射线衍射测量表明2Ha-MoS2在40~155GPa压力范围内无结构相变, 非晶化或者分解发生, 从而表明超导是2Ha-MoS2相的本征态. 通过密度泛函计算发现超导可以归因于2Ha-MoS2电子结构中高压诱导的新空穴型费米口袋的出现. 该工作首次在常压无电荷密度波的2H结构过渡金属二硫属化物半导体中, 通过压力调控研究观察到超导电性, 丰富了过渡金属二硫属化物体系的压力-温度相图.
研究工作得到了国家重点研发计划, 国家自然科学基金和安徽省自然科学基金等的资助.
图1.金刚石对顶砧中样品和电极布局图.
图2.2H-MoS2的压力-温度相图.
