二维2H型过渡金属二硫族化合物超导性质的研究

Transition metal dichalcogenide (TMD) of the hexagonal structure consists of layers of transition metal atoms sandwiched between two equivalent chalcogen atoms in the trigonal prismatic structure. The mono- and odd- layer TMDs are non-centrosymmetric, while in the even- layer material, the inversion symmetry is restored. Because of the presence of 4d transition metal, the material exhibits a large spin-orbit coupling (SOC), and the strong correlated effect could not be neglected. More recently, it has been argued that monolayer TMDs are direct-gap semiconductors with a type of Dresselhaus SOC, referred to as Ising SOC. It has been led that some superconducting TMDs are new types of superconductors called Ising superconductors. The pairing can be protected by spin-valley locking in the electric-field-induced 2D superconductivity in MoS2 or NbSe2. In the presence of the strong Ising SOC, the effective Zeeman field takes opposite direction in K and K’ valley, and especially, different from the Rashba SOC, the electron spin polarization is pinned out-of-plane. The in-plane Hc2 could be close to or over 60 Tesla. Thus there shows peculiar magnetic effect. It has also predicted that the materials are good candidates for the topological superconductors. In our proposal, we will study the superconductivity in mono- or few- layer 2H-TMDs. Here, we are going to study two important aspects of mono- and fewer- layer materials. First, we plan to study the mechanism of superconductivity and the pairing type. There are published papers showing that there exist two different pairing in the system: interpocket pairing, intrapocket pairing. Considering about the spin-valley locking in the system, in some case, the intrapocket pairing takes finite momentum. It is very similar to the FFLO state. Thus in the material, it may exist zero-momentum cooper pair from the interpocket, while finite-momentum cooper pair from the intrapocket. We will study the pairing type, BCS or FFLO, with the consideration of the strong electron-electron interaction. Furthermore, we will study the topological properties of each type. Second, we will study the robustness of each kind of the pairing with the presence of single impurity or external electric/magnetic field.

二维过渡金属二硫族晶体材料(TMD)因其独特的电学和光学性能，已经引起广泛关注，但对其超导的研究尚处于起步阶段。该材料单层晶体结构类似于单层石墨，但不同的是其具有时间反演不变性且中心反演对称破缺，并且 4d 过渡金属带来了很强的自旋轨道耦合效应 (SOC)，且体系中的强关联效应很难被忽视。目前有实验显示该材料具有伊辛型 SOC ，该类型 SOC 形成的有效塞曼场将电子自旋牢牢锁定指向平面外，具有能够远远超过泡利极限的平面内磁场 Hc2。从超导配对的角度分析，该类材料可能形成两类超导配对：同一波谷内电子形成的非零动量超导库珀对；隶属于不同波谷的电子形成的超导配对。这两种都可能具有拓扑非平庸性，因此 TMD 也是寻找拓扑超导体的一种新平台。本项目将立足 2H 型 TMD，考虑 SOC 和强关联效同时存在的体系，采用平均场理论、重整化群的方法分析超导机制。以同一波谷和不同波谷间的两种超导配对为对象，从 BCS，库珀对密度波态展开仔细研究，并且将深入研究 p 型、n 型掺杂的体系中，超导机制和超导配对对称性，拓扑性，并在此基础上，讨论不同杂质类型和外场作用下超导相的稳定性。

超导电性一直是凝聚态物理研究中的热点问题，常规超导体、高温超导体、铁基超导体，莫尔体系等等各类材料超导电性的特性，超导来源等等一直都是我们亟待解决的难点，本项目就是希望能够借助杂质仔细研究材料的超导的特性，从而试图回答“万物是否皆可超导”，以及是否可以寻找到有潜在应用价值的新型材料。本项目中首先我们通过对锂铁砷进行不同比例的钴掺杂，我的合作者借助STM手段对其展开了一系列的研究，我们发现单杂质散射效应下，会在超导能隙中出现新的能态，破坏超导相干，同时随着钴掺杂的增加，超导能隙越来越小且形状从U型变成V型，并且超导能隙大小和掺杂比例增加呈线性反比关系，我们结合第一性原理计算、转移矩阵方法、两带模型以及五带模型对以上实验结果进行分析，从微观上揭示了玻恩近似下锂铁砷中钴的非磁性弱散射效应。接着我们对Ba0.4K0.6Fe2As2 中As 的作用的实验结果进行了深入的探讨，实验中对应完好无缺失体系，在最上层As面上任意取掉围绕次近邻Fe-Fe键的两个As，此时处于超导状态的体系，As缺失位置附近超导能隙会局域消失；另一方面全部取掉最上层As后在Fe裸露面上在次近邻Fe-Fe键原先上层As面位置补回一对As，该裸露Fe面本处于非超导状态，补回As后，体系此时会局域出现超导能隙，根据实验结果，我们猜测砷的缺失仅仅是通路被堵，其并没有起到“桥连”作用，相当于跃迁（hopping）被破坏。根据我们对该体系两带模型的模拟，我们可以看出As对超导配对有着非常局域的影响，进一步地我们还通过计算超流密度，在纯理论工作中我们将仔细讨论砷缺失和恢复两种情况下的超流密度。以上的结果都给了我们提示，随着实空间的局域操作，体系超导性质也会局域发生改变，目前很多超导研究都集中与动量空间中的影响，比如费米面等等，结合费米面以及实空间的超导通道可能会带来新的确定序参量的可能性。尤其是最近的Moire体系更是拓扑和强关联相结合的体系，在动量空间和坐标空间找到更合适的序参量和关联描述将会是未来的研究重点。