Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer Td-MoTe2

凝聚态物理 超导电性 铁电性 双层石墨烯 双层 材料科学 物理 化学 石墨烯 纳米技术 量子力学 电介质 生物化学
作者
Apoorv Jindal,Amartyajyoti Saha,Zizhong Li,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,James Hone,Turan Birol,Rafael M. Fernandes,Cory Dean,Abhay Pasupathy,Daniel Rhodes
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:613 (7942): 48-52 被引量:51
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05521-3
摘要

Achieving electrostatic control of quantum phases is at the frontier of condensed matter research. Recent investigations have revealed superconductivity tunable by electrostatic doping in twisted graphene heterostructures and in two-dimensional semimetals such as WTe2 (refs. 1–5). Some of these systems have a polar crystal structure that gives rise to ferroelectricity, in which the interlayer polarization exhibits bistability driven by external electric fields6–8. Here we show that bilayer Td-MoTe2 simultaneously exhibits ferroelectric switching and superconductivity. Notably, a field-driven, first-order superconductor-to-normal transition is observed at its ferroelectric transition. Bilayer Td-MoTe2 also has a maximum in its superconducting transition temperature (Tc) as a function of carrier density and temperature, allowing independent control of the superconducting state as a function of both doping and polarization. We find that the maximum Tc is concomitant with compensated electron and hole carrier densities and vanishes when one of the Fermi pockets disappears with doping. We argue that this unusual polarization-sensitive two-dimensional superconductor is driven by an interband pairing interaction associated with nearly nested electron and hole Fermi pockets. The authors show a hysteretic behaviour of superconductivity as a function of electric field in bilayer Td-MoTe2, representing observations of coupled ferroelectricity and superconductivity.
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