二维层过渡金属硫化物MX2（M代表Mo，Nb，W；X代表S，Se，Te）强自旋-轨道耦合和结构的多样性赋予了这种材料许多新颖的物理性质，如少数层1Td相的WTe量子自旋霍尔效应在少数层2中观察到H相的MoS2与NbSe伊辛超导电性在2中观察到。这些发现使得MX2材料成为当前凝聚态物理学和材料科学研究的一个热点。

通常BCS超导体的上临界磁场不会超过气泡顺磁极限，因为一旦超过这个极限，两个自旋反电子之间的s波配对就无法维持。H-MX在材料的晶体结构中，伊辛自旋-轨道耦合的出现是由于表面中心反演对称性的破缺。此时，库伯对中电子的自旋方向将被钉在表面外，使表面的上临界磁场远远超过泡沫利润极限，达到数十甚至数百特斯拉。这种超导电性被称为伊辛超导，其独特的性质为超导电性在强磁场中的应用提供了新的途径。此外，最近有理论认为，马约拉纳费米子可以用伊辛超导体建造，为拓扑量子计算研究提供了新的实验平台。

近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心固态量子信息与计算实验室研究员团队从事拓扑物态研究。2015年底，团队成员刘光和副研究员开始关注二维过渡金属硫化物的拓扑超导研究。通过与新加坡南洋理工大学刘政合作（Zheng Liu）近年来，在高质量的少数层面，教授合作MX样品研究取得了一系列进展，建立了家庭成长、形状、结构和物理数据的图书馆，相关成果已发表Adv. Mat. 29, 1603471 (2017)(封面文章)Nat. Commun. 8, 394 (2017)、以及Nature556, 355 (2018)上。

最近，他们在少数层高质量MoTe样品的物理研究取得了新的进展Td相的MoTe在2个样本中发现了一种由各向异性自旋-轨道耦合引起的新型伊辛超导体电性。与发现的伊辛超导体不同，新型超导体的表面上临界磁场（Hc2,∥）它呈现出明显的两度对称性，并且在不同的方向上超过了泡沫利润的极限。这是伊辛超导电性在实验中首次观察到各向异性。理论计算表明，这种现象是由于Td特殊晶格对称诱导了独特的自旋-轨道耦合g=(gx,gy,gz)。一方面，x方向上方的镜面对称缺失导致伊辛自旋-轨道耦合gz，让我们观察到伊辛超导之前发现的Hc2,∥增强现象。另一方面，面外镜对称破缺导致面内各异性的自旋-轨道耦合（gx与gy）。这是实验观察Hc2,∥表面两度对称的原因。这一发现将有助于加深对过渡金属硫化物中新型超导现象的理解，促进相关材料超导自旋电子器件的应用研究。

这项工作是在许多研究人员的共同努力下完成的。新加坡南洋理工大学刘政（Zheng Liu）周家东博士后教授指导（Jiadong Zhou）博士准备高质量的少层MoTe2样品；林俊浩，南方科技大学；（Junhao Lin）教授使用高分辨透射电子显微镜（STEM）对少数层MoTe2样本表示，证实其结构Td相；中科院物理所刘广同副研究员带领学生崔健、李沛岭完成了低温强磁场的电学输运测量，发现了二维超导电性、面内上临界场的增强以及其两度对称性；香港科技大学罗锦团（K. T. Law）理论上，教授和学生贺给出了各向异性自旋-轨道耦合的超导机制。

2019年5月3日，相关研究成果在线发表Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-019-09995-0）杂志上。这项工作得到了科技部(2016)YFA0300600与2015CB921101）, 深圳科技创新基金（ZDSYS新加坡国家研究基金（NRF-RF2013-08, MOE Tier 2 MOE2016-T2-2-153, MOE2015-T2-2-007，A*Star QTE programme），日本学术振兴会科学基金（JP16H06333，P16382)邱茶基金会和香港研究资助局（C6026-16W, 16309718, 16307117, 16324216, ECS26302118）的资助。

图1. 少数层Td相MoTe2.样品中上临界磁场的实验数据。a）0.3 K不同厚度样品的磁电阻曲线。纵轴是约化磁电阻（R/Rn），横轴是约化面内的磁场（H∥/Hp）。b）0.3 K约化面上的临界磁场（Hc2∥/Hp）依赖样品厚度。c）不同厚度样品中的约化温度（>T/>Tc）临界磁场与约化（>Hc2/>Hp）的相图。

图2. 少数层Td相MoTe在样品表面上临界磁场的两度对称性。a）0.3 K时3nm厚MoTe2样品在不同面内转角（φ）磁电阻曲线。b）温度为0.07 Tc、0.35 Tc、0.6 Tc与0.95 Tc旋转角度在不同面内测量（φ）下约化面内临界磁场（Hc2∥/Hp）。c）x在y方向内约化自旋磁化率（χS/χN）对约化温度（T/Tc）依赖关系。d）1Td-MoTe2能带结构的第一原理计算结果。e）理论计算给出的面内自旋织构。f）和g）在理论预期的面内y方向与x方向异性上临界磁场的相图。

编辑：AI

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