过渡金属二硫属化合物在强磁场中的局域电子结构研究

The competition/cooperation relationship between superconductivity (SC) and other quantum order has been one of the hot topics in condensed matter physics. The layered transition metal dichalcogenides (TMD) with the characteristics of quasi-two-dimensional structure are typical charge-density-wave (CDW) systems and usually exhibit superconductivity at low temperatures. The ion intercalation, doping, and external pressure can usually suppress the CDW and enhance the superconductivity. There is still controversy in the competition/ooperation relations between SC and CDW. To clarify the relationship of SC and CDW, it is very necessary for the study of the microscopic crystal structure, chemical environment, as well as localized electronic band structure. In this project we plan to perform the multiple microscopy measurements of the micro-structure and local electronic structure by using the SMA (STM-MFM-AFM) combined microscopy experiments platform in High Magnetic Field Center of Chinese Academy of Sciences, and study the evolution of the SC and CDW upon magnetic field. Furthermore, we combine the electronic band structure by theoretical calculations to deeply investigate the relation between SC and CDW and the microscopic physical origin. The studies in the present project may also provide some accumulations of experimental data for understanding the superconducting mechanism of some unconventional superconductors.

超导电性与其它量子序之间的竞争或合作的关系一直是凝聚态物理学的研究焦点问题之一。层状过渡金属二硫属化合物具有准二维结构的特征，是典型的电荷密度波体系，通常低温下还表现出超导电性。通过离子的插层、掺杂或外压力等可以压制电荷密度波而使得超导电性增强。但对于超导与电荷密度波的关系：竞争还是合作，目前还存在一定的争论。要弄清楚超导与电荷密度波的关系，对于微观的晶体结构、化学环境以及局域的电子能带结构的研究显得非常必要。本项目拟通过中科院强磁场科学中心的SMA（STM-MFM-AFM）组合显微镜的实验平台系统地对过渡金属二硫属化合物的微结构、局域电子结构等进行原位的多重显微学测量，研究超导与电荷密度波随强磁场的演变过程。同时将结合电子能带结构的理论计算，以期对超导与电荷密度波的关联及其微观的物理起源有更加深入的认识。本项目的开展还可能为理解一些非常规超导体的超导机理积累一些相关的实验数据。

本项目是通过研究过渡金属二硫族化合物的微结构和局域电子结构，探讨该材料体系中电荷密度波和超导电性的关联性及其物理起源。我们已在三个方面开展了相关研究工作：(1)通过离子掺杂调控了1T-TaS2/TaSe2等体系的电荷密度波，有效诱导了超导电性的出现，并通过理论解释了其dome型电子相图。(2)利用扫描隧道显微镜和高分辨透射电镜研究了2H-TaS2/TaSe2以及1T-TiSe2等材料的局域结构以及电子结构，从微观上解释了电荷密度的物理起源是与周期性的晶格畸变有关。(3)我们还和国外多个研究小组合作研究了具有几个原子层厚度的1T-TaS2，并通过电场有效调控了其电荷密度波的转变；同时我们也从理论上解释了低维化对电荷密度波的影响。上述我们的研究结果能为进一步揭示出该类材料中电荷密度波和超导电性的物理起源提供重要依据，同时也能为将基于电荷密度的电子学应用于低维半导体器件提供了相关研究基础。在该项目的资助下，相关研究结果已发表在Nature Commun., Nano Lett., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett.等期刊上，共计发表SCI论文11篇。