二维材料物理研究进展导读|2021年4月

01

转角电子学

魔角石墨烯中Pomeranchuk效应的熵证据

20世纪50年代，Pomeranchuk预测，液态的³He在加热时会凝固。这是由于固相中的原子在空间上是局域的，具有过量的核自旋熵。这里，我们在魔角双层石墨烯中发现了类似的效应。利用局域和全局的电子熵测量，我们发现当每个莫尔单胞填充一个电子时，其电子熵明显增大到大概1k_B (k_B是玻尔兹曼常数)。这个额外的熵可以被面内磁场所抑制，表明它的起源可能和磁性相关。伴随着费米能级重置到狄拉克点，可压缩性随电子密度急剧下降，这标志着两相之间的清晰界限。我们把这种跳变绘制为电子密度、温度和磁场的函数，所呈现出的相图，与Pomeranchuk的温度和场驱动的相变类似，从低熵电子液态转变为具有几乎自由磁矩的高熵关联态。这些关联态表现出一些看似矛盾的性质，其中一部分性质与流动电子相关——比如不存在热力学能隙、表现为金属性以及狄拉克式的可压缩性——而另一些性质则与局域磁矩有关，比如大的熵及其在磁场下的消失。此外，表征这两组特性的能量尺度是非常不同的:可压缩性跳变的起始温度约为30开尔文，而磁激发的带宽约为3开尔文甚至更低。关联态的混合性质和能量尺度的较大差异对双层转角石墨烯中关联态的热力学性质和输运性质有影响。

（任雅宁）

Entropic evidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene

Asaf Rozen et al.

Nature 592, 214–219 (2021)

双层转角石墨烯中的同位旋Pomeranchuk效应

在凝聚态体系中，较高的温度通常不利于有序相的存在，导致磁性、超导性和其他有序相存在一个上临界温度。一个例外是³He中的Pomeranchuk效应，由于顺磁固相的熵更大，液体基态在温度升高时会发生凝固。在这里，我们展示了一个类似的机制来描述魔角双层石墨烯的自旋和谷同位旋的有限温度动力学。值得注意的是，在超晶格填充因子-1附近，高温时电阻率出现峰值，而在低温却没有相应关联态的任何迹象。倾斜场磁输运和面内磁矩的热力学测量表明，电阻率峰值与有限场磁相变相关，在该相变处体系出现同位旋极化。这些数据暗示了一种pomerachuk型机制，与同位旋未极化的费米液相相比，铁磁相中的无序同位旋磁矩的熵使得该相可以在较高温度下更稳定。我们发现，以玻尔兹曼常数为单位的熵，其量级为单位单胞面积，可被面内磁场所抑制，这源于无序自旋的贡献。然而，与³He相反，在这个转变过程中没有观察到热力学量的不连续性。这些发现暗示了一个小的同位旋刚度，这意味着有限温度下电子传递的本质，以及双层转角石墨烯及相关体系中同位旋序和超导的机制。

（任雅宁）

Isospin Pomeranchuk effect in twisted bilayer graphene

Yu Saito et al.

Nature592, 220–224 (2021).

超导魔角石墨烯的向列性和竞争序

在固态体系中，强相互作用的电子往往在基态表现出多重对称性破缺。不同序参量之间的相互作用可以形成丰富的相图。在这里，我们报道了在魔角双层石墨烯(TBG)中发现了旋转对称性破缺的缠绕相。利用横向电阻测量，我们发现在超导穹顶的欠掺杂区上方的“楔形区”中存在一个强烈的各向异性相。当它与超导穹顶交叉时，观察到临界温度的降低。此外，超导态对方向依赖的面内磁场表现出各向异性响应，从而揭示了整个超导穹顶的向列序。这些结果表明，向列波动可能在魔角双层石墨烯的低温相中起重要作用。

（任雅宁）

Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene

Yuan Cao  et al.

Science 372, 264-271 (2021)

双层转角石墨烯中的应变场

范德华材料的外延生长可以准确的控制晶格失配或者两原子层之间的方位角，从而产生长程的超晶格。其电子相很大程度上取决于超晶格的周期性以及局域结构形变引入的无序和应力。本文利用布拉格干涉获得转角小于2°的双层石墨烯的原子位移场。扭转角度以及单轴非均匀应力在实空间纳米尺度波动的分析，揭示了短程无序在摩尔异质结中的普遍性。通过定量的绘制应变张力场，展示了结构弛豫的两个分区并计算了不同旋转模式下的电子分布。此外，发现了在结构过渡区域附近，通过施加异质应变引起的，各向异性条纹应变相。研究结果建立了双层转角石墨烯依赖于旋转角的电子行为的重构机制，并为直接观察摩尔材料中的结构弛豫，无序以及应变提供了框架。

（刘亦文）

Strain fields in twisted bilayer graphene

Nathanael P. Kazmierczak, et al.

Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00973-w

02

二维材料的制备

范德华半导体2H MoTe₂大面积单晶膜的二维晶种外延生长

将二维范德华半导体整合到硅基电子技术中需要生产大面积，均匀且高度结晶的薄膜。本工作报道了在非晶绝缘衬底上合成单晶2H MoTe₂半导体的新方法。通过植入的单个晶种触发了平面内二维外延生长。所得的单晶膜能非常均匀的覆盖2.5厘米的晶片。2H MoTe₂二维单晶膜可以将自身作为模板，以垂直方式进一步进行快速外延生长。用已制备的2H MoTe₂单晶制造的晶体管阵列具有很高的电学性能，极佳的均匀性和100％的器件良率。

（刘亦文）

Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe₂

Xiaolong Xu, et al.

Science 372, 195–200 (2021)

https://science.sciencemag.org/content/372/6538/195

亚稳态1T'相族VIB过渡金属硫族化合物晶体

亚稳态1T'相族VIB过渡金属硫族化合物晶体中，具有半金属性质的亚稳态1T'相过渡金属硫族化合物（1T'-TMDs）由于其独特的畸变结构和相位依赖的性质引起人们的广泛。但合成高质量的亚稳态1T'-TMD晶体，尤其是VIB族TMD仍然是一个挑战。本工作报道了一种大规模合成亚稳态1T'相VIB族TMD的普适方法，包括WS₂, WSe₂, MoS₂, MoSe₂, WS₂xSe_2(1-x)和MoS₂xSe_2(1-x)。利用单晶X射线衍射得到了1T'-WS₂, -WSe₂, -MoS₂和-MoSe₂的晶体结构。所制备的1T'-WS2具有依赖于厚度的内秉超导性，90.1nm厚度的薄膜临界转变温度为8.6K，而对于单层则为5.7K，这归因于1T'-WS₂的高本征载流子浓度和半金属性质。这种合成方法将促进对亚稳态TMD材料内秉属性更为系统的研究。

（刘亦文）

Metastable 1T′-phase group VIB transition metal dichalcogenide crystals

Zhuangchai Lai, et al.

Nat. Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-00971-y

03

二维超导

少层NbSe₂中的双重对称超导电性

在某些二维过渡金属硫族化合物中，强伊辛自旋-轨道耦合对少层样品的超导电性有重要的影响。例如，在少层的NbSe₂中，强伊辛自旋-轨道耦合可以使超导态在高达35 T的磁场下稳定存在，并且可能诱导出拓扑超导态。本文报道了在面内磁场的作用下，NbSe₂的超导态具有双重旋转对称性，这与晶格的三重旋转对称性有明显的差异。在NbSe₂/CrBr₃超导磁隧道结中，磁电阻和临界场都表现出双重对称性，并且这种对称性在超导态中依然存在。在这两种体系中，正常态时各向异性的行为消失，这表明双重对称性是超导态的特性。我们将这一现象归因于两种相互竞争的配对方式之间的杂化，即块体NbSe₂中的常规s波配对和少层NbSe₂中的非常规d波或p波配对。我们的结果证明了少层过渡金属硫族化合物中存在非常规配对机制，并证明了这类二维材料中存在新奇的超导电性。

（张钰）

Two-fold symmetric superconductivity in few-layer NbSe₂

Alex Hamill, et al.

Nat. Phys. (2021)

二维超导体中栅压调控的BCS-BEC交叉行为

Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）超流和玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是费米子系统配对基态的两个极限。在本文中，我们通过改变二维超导体中的载流子浓度，实现了从BCS极限到BEC极限的交叉行为。通过调节栅压，在电阻率和隧道谱的相图中可以发现，低掺杂区存在赝能隙相。在低载流子浓度极限下，超导转变温度与费米温度之比与BCS-BEC交叉区的理论上限是一致的。这些结果表明，栅压调控的半导体为研究二维BCS-BEC的交叉行为提供了一个理想的平台，且该方法不会增加系统的复杂性。

（张钰）

Gate-controlled BCS-BEC crossover in a two-dimensional superconductor

Yuji Nakagawa, et al.

Science 372, 190-195 (2021)

04

二维磁体

对应力调控单层反铁磁体MnPSe₃中伊辛序的Néel矢量的成像

反铁磁体是自旋电子学中一类有趣的材料，因为它具有更快的动力学特性和对磁场扰动的鲁棒性。可控地调节体系中的反铁磁序是使其走向应用的重要一步，但迄今为止，对反铁磁序的调控仅局限于块体材料。在这里，我们利用空间分辨的二次谐波测量，在具有明显XY各向异性的单层MnPSe₃中，发现长程反铁磁序和伊辛型Néel矢量转换的直接证据。除了热诱导的转换外，单轴应变还可以使Néel矢量发生旋转，使其与平面内某一与晶轴无关的方向对齐。在单轴应变的作用下，XY模型中相变的普适类会发生变化，导致在XY磁体MnPSe₃中出现了应变调控的伊辛序。我们的发现是二维极限下反铁磁自旋电子器件发展的重要基础。

（张钰）

Imaging the Néel vector switching in the monolayer antiferromagnet MnPSe3 with strain-controlled Ising order

Zhuoliang Ni, et al.

Nat. Nanotechnol. (2021)

反铁磁范德华晶体光致发光的自旋诱导线偏振

反铁磁体具有太赫兹共振、多能级和无杂散场等优点，是一类很有应用前景的自旋电子学元件。然而，反铁磁体的零净磁矩特性使得反铁磁序的探测和基本自旋性质的研究存在困难。在这里，我们利用超尖锐的光致发光，实现对从块体到原子层厚的范德华反铁磁体NiPS₃中Néel矢量的测量。自旋翻转和电偶极振子之间的强耦合导致了尖锐发射的线性极化，使其垂直于晶体中的自旋方向。通过施加面内磁场，我们实现了对光致发光偏振态的操纵。这种层状磁体中发射光子与自旋之间的关联为研究二维材料中的磁光行为提供了途径，进而为发展光-自旋电子器件和基于反铁磁体的量子信息技术开辟了道路。

（张钰）

Spin-induced linear polarization of photoluminescence in antiferromagnetic van der Waals crystals

Xingzhi Wang, et al.

Nat. Mater. (2021)