在过渡金属二硫化物莫尔异质双层中长程相互作用存在下的非常规超导性

为何原子薄晶体的叠加能隐藏出人意料的行为

当原子级薄的晶体以微小错位堆叠时，会产生称为莫尔晶格的大尺度图案。在这些“设计材料”中，电子运动会变慢、相互作用变强，并能形成奇异的物质态，包括无电阻传导的超导体。本文探讨了由 WS2 与 WSe2 叠层形成的特定体系是否可能承载这样一种非常规的超导态，即便那里的电子在短程和长程上都存在强烈的相互排斥。

由两层晶体构成的新游乐场

作者聚焦于一类称为过渡金属二硫化物的材料，它们可以剥离成单层原子片并通过扭角或微小晶格不匹配后再堆叠。在 WS2/WSe2 的“异质双层”中，这种堆叠产生了三角形的莫尔图样，将电子的运动重塑为几乎平的能带。平带意味着电子运动迟缓，使得它们的相互排斥尤为重要，从而产生诸如莫特绝缘体和类维格纳晶体等显著态，在这些态中电子冻结成有序的图案。有意思的是，尽管类似体系已经观察到超导性，WS2/WSe2 本身在实验中尚未出现超导，这就提出了疑问：是强烈的长程排斥彻底抑制了成对，还是在适当条件下超导仍然潜伏其中？

构建一个简单但有力的电子模型

为了解答这一问题，研究者构建了一个有效模型，仅保留莫尔晶格平价带中最重要的电子态。在该模型中，电子可以在三角格点间跳跃；当电子占据同一格点时会遭遇强烈的库伦排斥；相邻格点之间也存在显著的相互排斥。附加项描述了更远程的跳跃和类磁性的交换效应，这些效应倾向于促进电子成对。由于简单的平均场方法会低估强相互作用的影响，团队采用了古茨威勒（Gutzwiller）类的变分方法，这种方法有效地重整（重塑）了电子的运动和它们的相互作用，模拟了强烈的位点内排斥如何抑制双占据并增强关联效应。

强排斥如何仍能允许电子成对

研究的核心在于考察超导如何与 WS2/WSe2 特有的强相邻位点排斥竞争并有时幸存下来。在以实空间描述的邻位电子成对情形中，位点间的排斥自然对成对不利，而交换相互作用则促进成对。计算表明，在中等相互作用强度下，邻位排斥的现实取值会完全摧毁超导。然而，一旦位点内排斥远大于能带宽度——即进入强关联区——情况就发生变化。在莫尔能带接近半填充时，关联效应强烈地重整相互作用：有效的邻位排斥显著降低，而交换相互作用被增强。结果出现了一种具有混合自旋单态和自旋三重态特征的稳健超导相，并在中心的莫特绝缘态周围形成了两个稳定区（domes）。

对晶格与环境的精细调控

随后作者将更远程的跳跃和交换过程扩展到第三近邻。这些额外的跳跃降低了在超导最有利能量处的电子态密度，从而削弱但并未消除成对态。通过扫描电子密度和相互作用强度，他们识别出一个参数窗口，在该窗口中超导应当存在：位点内强排斥约为能带宽度的两倍，以及电子填充略低于或高于每个莫尔点一个电子。重要的是，这一窗口并不与已知形成电荷有序的类维格纳晶体的分数填充重合，表明超导与这些电荷有序图案在同一材料的不同参量区间内可以各自实现。

这对未来超导器件的意义

用通俗的说法，论文得出结论：尽管 WS2/WSe2 具有强且延展的电子排斥，它仍是非常规超导性的有力候选体系。强烈的位点内相互作用反常地通过削弱最有害的排斥分量并增强将电子粘合在一起的相互作用来保护成对。所得到的超导态被预测为具有拓扑性质且以自旋三重态配对为主，估计的转变温度大约在或低于 1 开尔文。要在实验上实现该态，可能需要精确调整扭角和周围的介电环境，使体系进入最优的强关联区，并在非常低温下探测接近半填充的电子密度。

引用: Akbar, W., Biborski, A., Rademaker, L. et al. Unconventional superconductivity in the presence of long-range interactions in transition metal dichalcogenide moiré heterobilayers. Sci Rep 16, 10611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45510-4

关键词: 莫尔超导性, 过渡金属二硫化物, 强电子关联, WS2/WSe2 异质双层, 平带物理