[하상욱 학생/ 정수용 박사(KRISS)/ 장준호 교수] 터널링 분광법을 이용한 NbSe2의 층수 의존적 전하밀도파-초전도 반상관관계 규명 (ACS Nano 논문 게재)
Spectroscopic Identification of Dimensionality-Driven Anticorrelation between Charge-Density-Wave Order and Superconductivity in Ultrathin NbSe2
NbSe2는 전하밀도파(charge-density-wave, CDW)와 초전도성이 공존하는 대표적인 층상 물질이다. NbSe2가 원자층 수준으로 얇아질수록 CDW 전이온도는 높아지고 초전도 전이온도는 낮아지는 것으로 알려져 있다. 그러나 CDW 전이온도는 측정 방법에 따라 큰 차이를 보여 왔다. 또한 CDW에 따른 전자구조 변화는 운동량 공간의 특정 영역에 집중되어 나타나므로, 기존의 주사터널링분광법(STM/STS)으로는 이를 포착하기 어려웠다. 이 때문에 두 질서의 두께 의존성과 상호작용을 정확히 파악하는 데 한계가 있었다.본 연구에서는 두 양자 질서를 모두 분광학적으로 추적하기 위해 graphite/hBN/NbSe2로 이루어진 반데르발스(van der Waals) 평면 터널 접합(planar tunneling junction)을 제작하였다. NbSe2의 두께를 11층에서 이중층(2L)까지 달리하며, 높은 에너지 분해능과 정밀한 온도 분해능으로 터널링 분광 측정을 수행하였다. 한 소자에서 CDW에 따른 전자구조 변화와 초전도 갭 형성에 따른 스펙트럼 변화를 구분해 관측하고, 이를 바탕으로 두 전이온도를 체계적으로 결정하였다. 두 전이온도를 분광학적으로 결정한 것은 이번이 처음이다.
그 결과 NbSe2의 두께가 11층에서 이중층으로 줄어들수록 CDW 전이온도는 약 34 K에서 56 K로 높아지고, 초전도 전이온도는 약 7.2 K에서 5.4 K로 낮아져 두 전이온도 사이에 뚜렷한 반상관관계(anticorrelation)가 나타났다. 또한 CDW에 따른 전자구조 변화가 페르미 준위 부근에 국한되지 않고 ±300 meV에 이르는 넓은 에너지 범위에 걸쳐 나타남을 관측하였다. 이처럼 넓은 에너지 범위에 걸친 전자구조 재구성은 이론적으로 널리 예측되어 왔지만 실험적으로 확인하기 어려웠던 특성이다. 이러한 결과는 평면 반데르발스 터널 접합이 층상 양자물질의 서로 얽힌 양자 질서를 연구하는 데 효과적인 분광 플랫폼으로 활용될 수 있음을 보여준다.
Intertwined electronic orders in low-dimensional quantum materials often evolve in a strongly thickness-dependent manner, yet direct spectroscopic access to their mutual evolution remains a key challenge. NbSe2 is a prototypical layered superconductor in which charge-density-wave order coexists with superconductivity, but spectroscopic signatures of the charge-density-wave state are frequently obscured, limiting direct comparison with superconducting order. Here, we demonstrate all-van der Waals planar tunnel junctions as a spectroscopic platform for simultaneously probing charge-density-wave and superconducting states in NbSe2 from the bulk to the bilayer limit. Temperature-dependent tunneling spectra reveal distinct anomalies associated with charge-density-wave formation and superconducting gap opening, allowing both quantum phase transitions to be tracked within the same device architecture. We find that the charge-density-wave transition temperature increases from ∼34 to ∼56 K as the NbSe2 thickness is reduced from 11L to the bilayer, while the superconducting transition temperature decreases from ∼7.2 to ∼5.4 K. These results reveal a clear anticorrelation between the two ordered states as dimensionality is reduced. Moreover, our spectroscopic studies reveal that the emergence of charge-density-wave order modifies the electronic states of NbSe2 over a broad energy window extending up to ±300 meV, a widely anticipated but previously experimentally inaccessible characteristic. Our results provide comprehensive spectroscopic evidence for the thickness-dependent competition between charge-density-wave order and superconductivity in ultrathin NbSe2 and position planar van der Waals tunnel junctions as a powerful platform for investigating emergent quantum phases in layered materials.
Authors: Sangwook Ha, Changwon Park, Sohee Park, Byoung-moo Ann, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Joonho Jang*, and Suyong Jung* (*co-corresponding authors)
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.6c13780
Published online: 2026.10.23