焦耳定律指出，电流通过导体会产生热量，这中热效应与导体的电阻有关。而有一种神奇的材料，可以完全不产生热损耗，它就是超导体。超导体是指在一定温度条件下，电阻为零的导体。超导材料和超导技术有着广阔的应用前景和巨大的经济前景。
通常来讲，超导与铁电性是不能同时存在的。在一些晶体中，原子的排列方式将正负电荷分开，从而产生了宏观的极化。这种极化的方向可以由外部电场切换的现象被称为铁电性。而超导体中的电子导电性极好，这种高导电性应能抵消极化。
但是出现了超导与铁电性共存的材料！威斯康星大学Daniel A. Rhodes团队和哥伦比亚大学Abhay N. Pasupathy团队在半金属化合物二碲化钼（MoTe2）超薄薄片这种超导化合物中发现了铁电性，这种特性可以用来开启和关闭该材料的超导性。相关成果以“Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer Td-MoTe2”发表于最新一期Nature。
超导性开关原理
该研究结合了二维层状异质结构中的铁电性来实现超导开关。2018年有研究表明，双层和三层二碲化钨（WTe2）的电极化可以通过外部电场进行切换。这种铁电金属属于一个被称为范德华材料的大类，它具有层状晶体结构，可以通过机械剥离减薄到原子厚度，例如石墨、六方氮化硼和过渡金属硫化物等。
本文中的MoTe2与2018年报道的WTe2具有相同的层状晶体结构。铁电性是由于不同层之间的电荷转移而产生的，而各层内部的电子仍然可以实现传导。因此，电极化不会被各层内部的电子传导所影响。正是这种层状结构使MoTe2的金属特性和铁电特性得以共存。
图一、打开和关闭超导性
超导和铁电性耦合
该研究制造了一个由双层MoTe2组成的装置，这一装置中电荷载流子密度和外部电场可以独立调节。结果发现，当施加电场时，样品电阻也随之变化，且切换方式以电极化形式存在；同时，超导状态的转变发生在2K左右，证实了该材料同时具有超导和铁电性。
研究进一步发现，超导性和铁电性之间是紧密耦合的。当外部电场切换时，材料将突然从零电阻的超导体变为具有非零电阻的普通金属。受极化方式影响，转换是相对稳定不易失去的，换句话来说，MoTe2 在施加电场脉冲时从超导体转变为普通金属，并无限期地保持这种状态，直到施加下一个脉冲。
图二、双层 Td-MoTe2中的耦合铁电性和超导性
特殊超导性
实际上这材料的超导性非常特殊。超导体电阻转变为零的温度，称为超导临界温度，这取决于材料中的电荷载流子密度。而该研究中，当负电荷（电子）和正电荷（空穴）共存并且具有几乎相等的密度时，超导温度在MoTe2中达到最大值。这意味着它不符合超导性的标准理论，需要进一步的理论和实验研究来揭示其超导性的起源，以及超导性和铁电性耦合背后的微观机制。
图三、双层 Td-MoTe2超导特性
小结：铁电超导体的存在以前被认为是不可能的，这项研究展示了一种具有铁电性的超导化合物材料MoTe2。这种在超导体和普通金属之间切换的能力，将为量子设备增加信息存储的额外功能，有助于实现量子态的静电控制。
全文链接：
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
