近来人们对WTe2的研究兴趣发端于二维层状材料领域。诺贝尔物理学奖获得者Geim等人提出二维材料的概念，并形成一张路线图，引导着继石墨烯后凝聚态物理的一个重要研究方向。这些材料极易解理形成单层或少原子层器件，是二维电子/光电器件的理想平台，人们熟悉的BN、MoS2、Bi2Te3以及后来关注的黑磷等都属于这一范畴。简单一看，我们就发现WTe2是其中非常的有特点的一个系统：i. 它拥有与MoS2类似的同族元素和化学价态，但是其晶体的对称性完全不同；ii. 它不仅是一个二维材料，在结构上还有一维的性质；iii. 能带研究发现它是一种半金属，而不是半导体；iv. 很容易制得高质量单晶，可以达到数万cm2/Vs的载流子迁移率；v. 由于W、Te原子都非常重，所以有可能会出现强的自旋轨道耦合。
强自旋轨道耦合、半金属、迥异的对称性、二维受限和高迁移率，这些常常是近些年来驱动反常量子物性和新物理的关键因素，这让我们感到：WTe2有可能是二维材料中最“物理”的一种。这开启了一轮新的追逐。
图1：(上) WTe2压力-超导温度相图(下)理论预测态密度随压力变化及晶体照片
很快，普林斯顿的科学家就拔得头筹。2014年10月，R. Cava 教授研究组在《自然》杂志刊文指出：WTe2拥有在60T磁场下不饱和的极大磁电阻。早在2014年春天，南京人工微结构科学与技术协同创新中心的科研人员就因WTe2在二维材料中的独特地位开始开展相关工作。团队理论组注意到这一能带结构对晶格常数的极度敏感性，开展计算预言压力可能会诱导这种材料出现超导电性。实验课题组合成了高质量的WTe2单晶，系统地开展了高压下低温电输运、磁化率等测量工作。团队的紧密合作很快观察到了仅需2.5GPa即可实现的超导转变。
本工作发现，WTe2晶体在常压下可以显示巨大和不饱和的磁电阻，这与普林斯顿大学的研究一致。一加高压，磁电阻倍数就迅速下降。最早在2.5GPa，研究人员就观察到电阻随温度在3.1K处的陡降。随着压力增大，超导转变温度逐渐上升，并在16.8GPa时达到7K。零电阻和完全抗磁性的出现完美的证实了超导转变。我们还获得了上临界场的数据，探讨其超导的机制。系统的测量给出一个拱型的压力-超导温度相图（图1上）。无论有无传压介质，实验都可以得到类似的相图。本工作指出这一拱形相图来自压力下态密度和结构稳定性的竞争。在低压力区域，随着压力增加，WTe2中的态密度迅速增加（图1下），从而降低了超导电性实现的难度。当压力继续增加，有可能出现结构的不稳定性，影响超导相的维持。本工作实现了低的超导转变压强，研究团队分析认为：这与样品调控从而引起费米面的恰当调控有关。本工作以《WTe2中压力驱动的拱形超导电性及电子结构演化》（Pressure-driven dome-shaped superconductivity and electronic structural evolution in tungsten ditelluride）为题发表在7月23日的《自然·通讯》（Nat. Commun. 6:7805（2015））上。南京大学潘星辰同学、合肥物质科学研究院陈绪亮助理研究员开展了实验工作，南京大学刘慧美同学进行了理论工作，共同担任第一作者。中心三位成员南京大学宋凤麒教授、中科院杨昭荣研究员和南京大学万贤纲教授联合担任了本文的通讯作者。值得一提的是，我国知名学者物理所孙力玲课题组也在同时期开展工作，获得了类似的实验结果。
我们紧接着关心的下一个问题是本系统奇异磁电阻的物理机制。此前人们普遍认为其物理机制是由于其电子和空穴浓度几乎完美的相等。那么，本体系大的自旋轨道耦合对磁电阻是否也有贡献？利用宋凤麒小组提供的单晶, 封东来小组在英国Diamond同步辐射中心进行了角分辨光电子能谱测量，该材料有着较为复杂的费米面。如图2(c)所示，其费米面的电子口袋和空穴口袋有着较为明显的差别。另外，如图2(a，b)所示，他们采用左旋和右旋光激发并对比了获得的光电子能谱，发现其具有有趣的圆二色性，这说明轨道角动量随着动量而变，这正是强自旋轨道耦合电子体系的特征。
图2 ARPES所获的WTe2费米面(a,b,c)及理论计算强磁场下自旋结构(d,e,f)
万贤纲小组进行了理论计算，如图2(d,e,f)所示。与加x/y方向的磁场不同，加 z方向的磁场将明显改变其费米面上自旋的分布，这明确指出了WTe2磁电阻巨大的各向异性。进一步的群论分析发现由于对称性的限制，该材料体系大量的散射通道被禁闭，这对其磁电阻也有重要的贡献。本论文以《巨大不饱和磁阻材料WTe2中强自旋轨道耦合的迹象》（Signature of Strong Spin-Orbital Coupling in the Large Nonsaturating Magnetoresistance Material WTe2）为题发表在10月12日的《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 115, 166601 (2015))。姜娟同学，唐峰同学和潘星辰同学担任本文的第一、第二和第三作者。中心成员复旦大学封东来教授和南京大学万贤纲教授联合担任了本文的通讯作者。目前，已经有很多学者开始引用和重视本文提出的磁电阻机制。
强自旋轨道耦合、半金属、迥异的对称性、高迁移率、不饱和的巨大磁电阻、二维层状器件......WTe2这一古老的材料呈现了一系列新颖的量子物理，本工作又为WTe2引入了超导电性和磁电阻各向异性，WTe2成为了名副其实的量子材料。之后还有吗？
在本工作前后，WTe2量子物性方面的工作不断涌现。复旦大学李世燕课题组发现了其中多pocket输运的行为，并描述了压力下费米面行为。武汉强磁场中心的朱增伟课题组开展了精细的热输运测量。北京大学王健课题组和南京大学宋凤麒课题组又分别观察到晶体中平行场和垂直场下的线性磁电阻行为。南京大学万贤纲和缪峰课题组指出了其晶格传热的特殊性。这其中包含了大量南京人工微结构科学与技术协同创新中心科研人员的贡献。最近，瑞士ETH课题组、中科院物理所戴希研究员和普林斯顿大学Bernevig等人合作的理论工作又预言（图3）：WTe2有可能一类新的外尔（Weyl）半金属，具有显著各向异性的外尔点。
图3 I类和II类Weyl点(arxiv:1507.01603)
当下，我们协同合作的工作已经证明WTe2可以是超导体，这一新的预言（图3）又指出它可能是Weyl半金属，这实际又隐含了拓扑超导体的可能性。WTe2的量子物性研究又点燃了一次发令枪！
我们想知道：WTe2跑道的前方还有什么惊喜的物理？