这项研究报告发表在《自然》（Nature）期刊2025年1月23日出版的637卷上，题为《扭曲双层二硒化钨中的超导性》（Superconductivity in twisted bilayer WSe2）。研究的核心作者来自康奈尔大学应用与工程物理学院（Yiyu Xia）、康奈尔大学原子与固体物理实验室（Zhongdong Han）、日本国立材料科学研究所（Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi）、以及康奈尔大学纳米尺度科学卡弗里研究所（Jie Shan & Kin Fai Mak）。其中Yiyu Xia和Zhongdong Han为共同第一作者。
本研究的学术背景集中于凝聚态物理领域，特别是莫尔（Moiré）材料和强关联电子系统。莫尔材料通过将两层晶体以微小角度扭转堆叠，可以形成平带（flat bands），从而极大地增强电子间的关联效应。在石墨烯莫尔材料中，科学家已经观测到了包括超导在内的多种新奇量子物态。然而，在同样具有丰富物理性质的过渡金属二硫族化物（Transition-Metal Dichalcogenide, TMD）半导体莫尔材料（如WSe2）中，尽管已观察到莫特（Mott）绝缘体、广义维格纳晶体、陈绝缘体等多种关联相，但稳健的超导性一直未能实现，这成为了理解平带超导机理的一个关键谜题。因此，本研究旨在探索并确认在扭曲双层二硒化钨（twisted bilayer WSe2， tWSe2）中是否存在本征的超导态，并深入表征其性质，以填补这一空白并挑战当前对平带超导的理解。
研究的详细工作流程包含以下几个核心步骤。首先，研究人员设计和制备了高质量的、具有特定扭转角度（3.65° 和 3.5°）的双层WSe2器件。器件的制备采用了“撕裂-堆叠”和逐层干法转移技术。结构上，器件为双栅极（顶栅和底栅）设计，栅极材料为多层六方氮化硼和石墨烯，用以独立且连续地调控样品中的空穴莫尔填充因子（ν）和垂直于样品的电场（E）。为了在毫开尔文温度下实现良好的欧姆接触，研究者使用了铂（Pt）作为接触电极，并辅以钯（Pd）接触栅对接触区域进行重掺杂，成功将接触电阻降至10-40 kΩ。此外，还采用了Pd分裂栅来关闭任何平行导电通道，确保测量信号仅来自定义的器件沟道。这些精密的器件工程是观测到稳定超导态的关键前提。
其次，是对器件基本电学性质的表征和标定。在稀释制冷机中进行电输运测量前，研究者首先在高磁场下通过量子振荡（Quantum Oscillations）和霍夫施塔特振荡（Hofstadter oscillations）精确校准了莫尔密度（nm ≈ 4.25 × 10^12 cm^(-2)）和扭转角度（3.65° ± 0.01°）。他们还利用连续介质模型计算了特定扭转角度下tWSe2的能带结构和态密度，预测了范霍夫奇点（Van Hove Singularity, VHS）的位置及其随电场的变化，为后续实验数据分析提供了理论框架。
第三，是系统的低温电输运测量，这是研究的核心实验环节。研究人员在低至50 mK的温度下，系统地扫描了栅压（即ν和E）构成的二维相图，测量了纵向电阻（R）。他们发现，在零电场附近、半带填充（ν = 1）时，出现了一个狭窄的零电阻区域。为了证实该零电阻态是超导态，他们进行了一系列标准验证实验：1）电流-电压特性：测量微分电阻（dV/dI）随偏置电流（I）和温度（T）的变化，观察到存在一个临界电流（Ic），当电流超过Ic时零电阻态被破坏，且Ic随温度升高连续下降至零。2）温度依赖性：测量零偏置电阻（R）随温度的变化，发现电阻在配对温度（Tp ≈ 250 mK）开始显著下降，并在Berezinskii–Kosterlitz–Thouless （BKT）转变温度（Tbkt ≈ 180 mK）达到零电阻。通过分析V-I曲线在Tbkt附近符合V ∝ I^3的关系，进一步确认了二维超导的BKT相变特征。3）磁场响应：施加垂直磁场（B），发现零电阻态被低至约6 mT的磁场（Bc1）破坏，而Cooper配对则在更高的上临界磁场（Bc2 ≈ 80 mT）下被完全抑制。在Bc1和Bc2之间，电阻R与B呈线性关系，这与二维超导体中近无钉扎的涡旋运动图像一致。基于Bc2的温度依赖关系，他们利用金兹堡-朗道理论估算了超导相干长度ξ ≈ 52 nm，约为莫尔周期（am ≈ 5 nm）的10倍。这些全面的测量数据强有力地证明了在tWSe2中观察到的确实是一个二维超导态。
第四，研究者深入探索了超导态的掺杂（ν）和电场（E）依赖性。他们发现超导电性仅严格局限在ν = 1附近很窄的范围内，而并不在由能带计算预测的VHS（ν ≈ 0.75）处出现。在ν = 1两侧，超导态与两种不同的金属态相邻：在ν > 1的一侧，金属态表现为典型的费米液体行为（电阻R ∝ T^2），其相干温度（Tcoh）和质量重整化效应随接近ν = 1而显著增强；在ν < 1的一侧，金属态则明显偏离费米液体行为。特别重要的是，超导态的正常态（即高于Tp的状态）是一个强关联金属，其特征温度T*（电阻峰对应的温度）在ν = 1时达到最低值约10 K，这远低于由单粒子能带计算得出的费米温度（≳ 100 K），表明该系统处于由强库仑相互作用诱导的电荷局域化边缘。
第五，他们研究了电场诱导的超导-绝缘体相变。通过固定ν = 1并调节垂直电场E，他们发现超导态（在E ≈ 0附近）可以连续地转变为一个关联绝缘体（在E超过临界值Ec ≈ 11.7 mV/nm后）。在相变点Ec附近，超导的Tbkt、Tp以及绝缘体的热激发能隙（T0）都连续地趋于零，且所有电阻曲线在标度变换下塌缩到两条普适曲线上。这表明该超导-绝缘体相变是一个连续的、由电场驱动的量子相变，进一步支持了超导根源于强关联效应的观点。
本研究的主要结论是，在3.5°和3.65°扭曲双层WSe2中首次观测到了稳健的本征超导性。这一发现打破了超导仅存在于石墨烯莫尔材料中的局面，将莫尔超导的研究拓展到了TMD半导体体系。该超导态具有多个不寻常的特性：1）它出现在层杂化（layer-hybridized）区域，且远离范霍夫奇点；2）它严格局限于半填充（ν=1）附近，并通过调节电场可连续演化为关联绝缘体，这与通常通过掺杂绝缘体获得超导的石墨烯体系现象学不同；3）其正常态是有效费米温度极低（~10 K）、处于电荷局域化边缘的强关联不良金属；4）超导转变温度Tc (~200 mK) 与有效费米温度Tf的比值（Tc/Tf ~ 1-2%）以及相干长度与晶格常数的比值（ξ/am ~ 10）都与高温铜氧化物超导体相当，表明其处于强配对极限。
这项研究的科学价值重大。首先，它为解决“TMD莫尔材料中为何缺乏稳健超导”这一长期谜题提供了关键实验证据，证实了强电子关联确实能在该体系中催生超导。其次，tWSe2作为一个能带拓扑、贝里曲率和关联效应均可原位调谐的平台，为研究量子几何在超导配对中的作用提供了绝佳体系。再者，该系统中超导、关联绝缘体以及奇异金属态在相图中的紧密关联，为探索和理解非常规超导（尤其是靠近莫特绝缘体的超导）的微观机制提供了新的原型材料和研究视角。其应用价值在于，TMD材料本身具有丰富的自旋-能谷物理和光学特性，将超导与之结合，可能为未来拓扑超导、自旋超流或量子计算器件的研究开辟新路径。
本研究的亮点突出。最重要的发现是在非石墨烯的TMD莫尔材料中实现了稳健的超导，这是该领域的里程碑式进展。实验方法上的亮点在于精密的器件制备工艺，包括低 Disorder 均匀莫尔晶格、毫开温区低阻欧姆接触的实现、以及双栅极对电子态的多维精细调控，这些技术保证了微弱超导信号的可靠探测。研究对象的特殊性在于tWSe2兼具强自旋轨道耦合、能谷锁定和可调拓扑能带，其物理内涵比石墨烯莫尔体系更为丰富。此外，研究并未停留在超导现象的观测，而是对其正常态性质、相图边界、量子相变等进行了系统而深入的表征，构建了一幅完整的物理图像，为理论发展提供了坚实的实验约束。
其他有价值的内容还包括：研究排除了超导源于掺杂绝缘体的可能性；通过4.6°大角度器件（关联效应较弱）的实验，辅助确认了VHS的特征；测量了霍尔电阻，表明超导两侧的金属态没有出现自发的自旋或能谷极化，这又与某些石墨烯超导体系不同。这些细致的比较分析进一步凸显了tWSe2中超导态的独特性。这项工作开启了在TMD莫尔材料中探索由强电子关联驱动的非常规超导性的大门，对未来理论和实验研究具有深远的启发意义。