​今日Nature：来自不同材料间的“心灵感应”！

掺杂的Mott绝缘体，展示了一些有趣的物质量子相，包括量子自旋液体、非常规超导体和非费米液体金属等。当流动电子接近莫特绝缘态时，这种相位经常出现，因此，具有很强的空间相关性。

不同范德华异质结构层之间的接近，自然地形成了一个实验平台，可用于研究局域、相关电子和流动电子之间的关系。

在此，来自以色列巴伊兰大学的Eylon Persky & Beena Kalisky等研究者通过研究二硫化钽41Hb-TaS₂的磁绘景来探索这一关系，它实现了候选自旋液体和超导体的交替叠加。相关论文以题为“Magnetic memory and spontaneous vortices in a van der Waals superconductor”于2022年07月27日发表在Nature上。

在范德华异质结构中，不同材料层之间的接近，可以被利用来产生新的物质状态，或者使用一层来探测另一层的性质。事实上，当不相关的电子系统堆叠在一起时，相关的绝缘、超导、向列和时间反转对称破缺态就会出现。因此，将强相关系统作为其组成部分的异质结构，有希望实现以前未知的相位或找到层之间的耦合机制。一组特别有趣的基态配对是超导体和莫特绝缘体。当掺杂破坏Mott绝缘体时，通常会出现非常规的超导现象，但当这两相作为单独的构建模块堆叠时，它们如何相互作用仍有待探索。

这种组合在4Hb-TaS₂中自然地实现了，其中二硫化钽(TaS₂)的两个二维(2D)结构，八面体(1T)和三角棱柱体(2H)交替叠加10(图1a,b)。在体态下，2H-TaS₂是一个临界温度T_c = 0.7 K的超导体，而1T-TaS₂是一个相关绝缘体，电子定域在三角形晶格上，预计具有量子自旋-液体基态。这一建议，得到了介子自旋弛豫(SR)和核磁共振测量的支持，它们没有发现长程磁序。此外，虽然电阻率清楚地显示绝缘行为，剩余比热，热导率和扫描隧道显微镜测量表明无间隙中性激发。综合这些结果，这些结果指向1T-TaS₂体的无间隙自旋-液体基态。

图1. 4Hb-TaS₂中的自发涡旋相

最近扫描隧道显微镜对TaS₂和TaSe₂的1T/1H异质结构的研究揭示了1T和1H层中局域电子和流动电子之间的近藤耦合。这种相互作用，可以通过与1H层的平均场杂化将1T绝缘体熔化成金属，类似于掺杂自旋液体，使各种基态成为可能。

事实上，与体积2H多态相比，4Hb-TaS₂的超导相是反常的：它的临界温度上升到2.7 K左右，并且在T_c以下打破了时间反演对称性。1T层的命运特别有趣。它们可能有磁性，或者由于电荷转移到1H层而变成金属，使莫特物理变得无关紧要。或者，在中间耦合时，它们可以保持无间隙的自旋-液状态或具有不同的自旋-液顺序。最近的数值研究表明，中间耦合的基态可能是手性自旋液体(CSL)。轻掺杂的CSL，可能会让位于手性超导和手性金属丰度。

在此，研究者利用扫描超导量子干涉装置(SQUID)显微镜对该系统进行了研究。研究者分析了样品在超导相和正常相以及在小外部磁场中的磁场分布。在超导相中，时间反演对称破缺(TRSB)表现为自发的涡旋相。自发涡旋相的磁和热历史表明，TRSB持续到3.6 K，高于超导跃迁。

令人惊讶的是，研究者发现这个TRSB有序，使用常规技术可以检测到，在正常状态下不会产生铁磁特征。这些结果，与传统的铁磁有序或传统的磁与超导之间的耦合不一致。虽然研究者不能确定超导相和TRSB相的序参量，但研究者提出了在1T层中的CSL，可作为一个候选的TRSB相。该研究结果表明，在范德华异质结构的强相关组分之间的接近，可以产生新的电子相。

图2. 磁滞

图3. 在正常状态下没有磁信号

综上所述，研究者证明了交替堆叠化合物4Hb-TaS₂在正常状态下支持不寻常的TRSB相。这种磁记忆，在超导状态下产生自发的涡旋相，而在正常状态下不产生磁特征。这个TRSB序与先前报道的存在于超导体附近的所有磁态不一致——铁磁性、环电流阶和残留手性阶。

这种磁相产生的自发涡旋，为探索非常规磁性和超导之间的耦合提供了一种简单易行的方法，这是高温超导体、扭曲双层石墨烯、自旋-液态金属异质结构和Kagome超导体等系统共同面临的难题。

未来对4Hb-TaS₂的实验，应该确定其超导态是否确实是非常规的，并研究体磁态与最近在表面报道的拓扑超导之间的联系。在其他系统中，研究者的结果表明，Mott绝缘体和其他受挫磁态可以通过耦合到超导体有效地探测。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04855-2