二维材料中的畴壁涨落揭示了超导电性的新机制

二维（2D）范德华由原子薄层组成，由弱范德华力结合在一起。这些材料一直是众多研究的焦点，因为它们独特的性质使其成为研究各种奇特和罕见物理现象的理想材料

剑桥大学和阿贡国家实验室的两名研究人员Gaurav Chaudhary和Ivar Martin分别着手进一步研究一种特定类型的二维范德华材料，即没有反转中心的二维材料（即材料的两半相互镜像的对称性）

他们的论文发表在《物理评论快报》上，揭示了铁电畴壁和其中一些材料中的电子相互作用之间存在有趣的联系

Chaudhary和Martin告诉Phys.org：“大量的几层范德华材料，包括氮化硼和过渡金属二硫化物（TMD），显示出滑动铁电的奇怪现象。”

“尽管是金属的，但由于这些系统的化学和结构，不同的层堆叠可以具有内置的极化，即层间电场和电荷不平衡。特别引人注目的是，通过施加适度的外部电场，可以在相当大的范围内改变堆叠，从而反转极化方向。”被称为“滑动铁电性”，与两层器件规模的几埃大位移有关。过去的研究表明，这种效应可以在室温下持续存在

Chaudhary和Martin说：“这一现象引起了试图了解这些转变的微观机制的科学家的兴趣，也引起了渴望找到这一非凡现象应用的工程师的兴趣。”

“就像在铁磁体和块状铁电体中一样，一种能量有效的反向极化方法是让畴壁扫过系统。畴壁的空间维度比材料的空间维度小一个（3D块状材料为2D表面，薄膜为1D表面）。”

畴壁是材料内部分隔区域的边界或界面，这些区域表现出不同的铁电极化方向或其他特性。这个独特的边界实现了自由能密度的鞍点，而不是最小值

因此，畴壁的性质可能与它们所处的原始块状材料和空间维度降低的材料的性质存在显著差异。特别是，这些界面可以表现出独特的形式和强度大的电子-声子耦合

Chaudhary和Martin解释说：“我们的项目侧重于滑动有限元和超导电性之间的相互作用，其结果如下。”

“我们正在思考范德华材料双层中铁电性的一些奇怪方面，包括石墨烯，这与超导性完全无关。然而，当我们开始对所谓的‘滑动铁电’现象有所了解时，我们突然想到，铁电畴壁附近的电子可能存在有趣的耦合。”

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当他们在理论上探索“滑动铁电”的基础时，研究人员在MoTe2材料中观察到了这种现象的迹象。具体而言，他们发现，在FE反转转变时，这种材料的超导Tc得到了强烈增强

Chaudhary和Martin说：“这种增强是‘瞬态的’，可以在磁滞回线中看到，即当系统包含两个方向的域和分隔它们的域壁时。”

“因此，我们遵循了我们的好奇心，幸运的是，畴壁附近的情况非常适合配对相互作用，而配对相互作用是超导所必需的。”

总体而言，Chaudhary和Martin最近的研究结果表明，2D TMD材料中的畴壁区域实际上非常特殊。在这个区域，电子密度直接与极化耦合，因为它在这些材料的层之间产生了电位降

Chaudhary和Martin说：“畴壁的中心是由没有极化来定义的，天真的是，人们可能会认为极化和流动电子之间的耦合应该消失。”

“静态耦合确实如此；然而，超导性是由动态波动驱动的。畴壁区域的晶格振动会影响层的相对位置（堆叠），导致极化波动（或相当于畴壁位置的波动）。”

在仔细研究二维TMD后，Chaudhary和Martin能够更好地理解他们所表现出的“滑动铁电性”。这使他们能够设计出一种理论方法，概述这一现象背后的物理过程

Chaudhary和Martin解释说：“一旦我们理解了这个系统，并对可能发生的事情有了物理上的了解，理论方法就很简单，从多体物理教科书中对电子-声子或电子耦合的标准处理到软玻色子（某种低能振动）。”

“我们确实花了一些时间来了解微观相互作用的样子。与均匀系统的标准教科书设置相比，这些系统在具有畴壁的物理设置中非常不规则。”

值得注意的是，Chaudhary和Martin研究的产生超导电性的机制是具有几层的二维TMD所特有的。这是因为只有这些材料才能支持层间铁电性，同时在2D平面内保持导电性

Chaudhary和Martin说：“在这些畴壁内实现的物理条件非常特殊，即使动态胶或多或少是标准晶格振动，也能实现强烈的电子相互作用。”。“这形成了一种概念上新的超导机制。”

一般来说，由电子和声子耦合产生的超导被视为一种传统的物理机制。另一方面，为了表征非常规机制，物理学家寻求强电子相互作用。Chaudhary和Martin观察到的超导性介于传统和非传统机制之间

研究人员说：“我们发现，像畴壁这样的地方，通常与不规则性有关，对超导性等事物可能有害，确实有助于超导性。”

这项研究可能很快会激励其他研究小组研究二维TMD和其他双层范德华材料中超导性的出现。与此同时，研究人员计划继续研究他们发现的与畴壁相关的超导性

他们说：“有很多事情需要弄清楚，应用程序中也有很多新的机会。”。“首先，我们仍然需要考虑更直接的方法来确定我们的理论思想在真实系统中的有效性。这些努力将受益于使用第一性原理方法的微观建模。”

研究人员认为，在哥伦比亚大学、威斯康星大学麦迪逊分校和明尼苏达大学的另一个团队最近进行的一项实验研究中，可能已经存在与畴壁波动相关的超导电性的间接特征，该研究侧重于材料MoTe2。

在他们的下一项研究中，研究人员还计划研究利用这种超导电性开发各种超导器件的可能性

Chaudhary和Martin补充道：“从应用的角度来看，我们正在探索是否存在高度可控的超导器件的可能性，在这种器件中，操纵铁电序可以打开和关闭超导性。”

“我们还预计，通过将极性层相互叠加，可以系统地设计出新的超导体。我们还预计类似的机制将在畴壁形成规则网络的莫尔系统中运行。”