《科学》杂志报道，美国麻省理工学院（MIT）等机构的研究人员利用四探针测量技术，对基于氮化硼夹持的二碲化钨制成的晶体管在特定条件下（外加磁场，电压和低温）的电学特性进行了研究，发现这种二维材料晶体管既具有拓扑绝缘性，也具有超导性。MIT物理学教授巴勃罗·加里奥·赫雷洛（Pablo Jarillo-Herrero）说：“我们首次发现，可以利用常规电场效应调节同一种材料的拓扑绝缘性和超导性。二碲化钨是第一种能经电子调谐转换为超导体的拓扑绝缘材料。这一发现为诸多之前无法实现的设想提供了可能性。”
二碲化钨是一种半金属，它能像金属一样导电。赫雷洛等发现，从1开尔文到液氮温度，二碲化钨的单层晶体会经历3种相态:拓扑绝缘、超导和金属态。相变由外加电压驱动，并随温度和电子浓度的变化而变化。
这项新成果源于今年早些时候的一项研究，该研究报告对二维拓扑绝缘体的经典物理现象——量子自旋霍尔效应进行了阐述。这种量子自旋霍尔效应在约100开尔文时仍能存在。论文第一作者、博士后吴三峰（音译）说：“因此，这是目前为止温度最高的二维拓扑绝缘体。像这样有趣的量子态可在高温下存在，对于应用来说是非常重要的。”2014年，物理学副教授梁复（音译）等在一篇理论论文中对二碲化钨材料可起到量子线作用的行为进行了预测——具有这种特性的材料可被用于自旋电子和量子计算设备。在赫雷洛等的新发现中，尽管观察到拓扑绝缘现象的温度高达100开尔文，但超导现象出现的温度仍然很低（约1开尔文）。
二碲化钨的优点是能以对二维超导体而言最低的电子密度进入超导状态。赫雷洛解释说：“这意味它成为超导体所需要的载流子密度很低，普通电场即可实现诱导。”除MIT外，美国普林斯顿大学承担了二碲化钨晶体的培养工作，日本国家材料科学研究所则负责培养氮化硼晶体。
赫雷洛等的发现，对在拓扑绝缘和超导材料的界面上实现马约拉纳模态和提升量子计算设备性能等均有重要意义。
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编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：https://phys.org/news/2018-11-two-dimensional-material-topological-insulator-superconductor.html
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