北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室路建明研究员课题组利用离子液体栅极调控手段，在高质量单层二硫化钨-氮化硼（WS2/hBN）异质结体系中观测到大幅提升的超导转变温度(6 K)。伴随着超导出现，在低温下同时测量到由于K&Q能谷被占据导致的非线性霍尔现象，为多能谷导致超导找到直接输运证据，同时Q能谷的参与也为过渡金属硫族化合物中伊辛超导体的费米面自旋纹理提供新认识。2022年9月29日，相关研究成果以“单层过渡金属硫族化合物中的多能谷超导”(Multivalley Superconductivity in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides)为题发表于《Nano Letters》。
路建明课题组长期从事二维范德华超导体的离子液体栅极调控，此成果是2018年发现单层WS2完整超导相（PNAS 115, 3551 (2018)）和2021年发现光场-电场联合调控超导（Nano Lett. 21, 6800 (2021)）后续的物性方面深入研究。在2H型过渡金属硫化物中，谷自由度和强自旋轨道耦合(SOC)产生了许多奇异的物理现象，如谷极化激子激元、谷霍尔效应和伊辛超导等，吸引了广泛兴趣。费米面上的反对称自旋织构使平面内超导上临界场可以远超泡利极限，为具有拓扑性质的奇异配对提供可能。而相对于劈裂较小的K能谷而言，具有较大自旋劈裂的Q能谷是否参与超导配对导致伊辛超导，以及超导是否来源于多能谷占据等问题仍然悬而未决。
在离子液体双电层晶体管技术调控的单层过渡金属硫族化合物体系，来自衬底和离子液体的无序度往往会为很多物理本质的探索带来极大阻碍。此研究利用原子级别平整的六方氮化硼作为衬底配合干法转移技术制备出高质量异质结，其最高超导转变温度高达6 K，与常规二氧化硅衬底和化学气相沉积生长的单层WS2器件相比，Tc提高了30%以上。垂直磁场中观测到的介于超导绝缘转变之间的量子金属态也证实体系无序度的减少。
图1 单层WS2/hBN的输运相图以及不同输运状态对应的霍尔效应和能带填充。
当体系中载流子掺杂超过约6 E13 cm−2时，低温下开始出现超导，而得益于无序度较低的高质量异质结器件，垂直磁场下同时也观测到了明显的非线性霍尔效应，这种非线性霍尔效应可以利用双载流子模型很好地拟合，在排除了反常霍尔效应和载流子的不均匀等原因后，结合第一性原理计算发现这一附加的高迁移率导电通道来源于Q能谷被占据。这种Q能谷被占据和超导的强关联行为也从超导临界磁场随温度的变化关系中得以佐证。
北京大学物理学院2017级博士研究生丁冬冬为第一作者；北京大学物理学院路建明研究员和南方科技大学吴建生助理教授为共同通讯作者；其他合作者还包括北京大学物理学院与人工微结构和介观物理国家重点实验室甘子钊教授和中国科学院微电子研究所韩春蕊研究员等。该研究工作得到国家自然科学基金，国家重点研发计划和北京自然科学基金等支持。
