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合肥研究院发现高压诱导SrxBi2Se3超导电性再现,

时间:2019-11-13 21:04来源:科技产品
4月17日下午,应我校物理与材料科学学院邀请,中国科学院合肥物质科学研究院“外专千人计划”、博士生导师EugeneGregoryanz教授和上海高压科学研究中心国家“千人计划”特聘专家、博

4月17日下午,应我校物理与材料科学学院邀请,中国科学院合肥物质科学研究院“外专千人计划”、 博士生导师EugeneGregoryanz教授和上海高压科学研究中心国家“千人计划”特聘专家、博士生导师陈晓嘉研究员在我校物理南楼报告厅作学术报告。物理与材料科学学院相关专业教师、研究生和部分本科生100余人参加报告会。报告会由物理与材料科学学院院长杨宗献主持。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员杨昭荣、田明亮与南京大学教授孙建、万贤纲以及北京高压科学研究中心研究员杨文革、中国科学院外籍院士毛河光等组成的合作研究团队,利用高压、强磁场极端条件在拓扑电子材料的量子序调控研究中取得新进展,相关结果以《压力诱导三维拓扑材料ZrTe5超导电性》为题,发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心孙建教授课题组与协同单位中科院合肥物质科学研究院强磁场中心,以及美国卡内基研究所地球物理实验室合作,在高压下ZrTe5结构相变和超导行为的研究上取得进展,相关成果以《Pressure-induced superconductivity in a three dimensional topological material ZrTe5》为题,于近期在《美国科学院院报》上发表[Y. Zhou et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 2904 ]。该项研究工作由多方努力合作完成,物理学院多位老师和同学参与其中,我校主要负责其中的晶体结构预测和理论计算工作,物理学院硕士生吴珏霏为本文共同一作,孙建教授为共同通讯作者。

最近,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员杨昭荣课题组与张昌锦课题组紧密合作,利用高压和强磁场极端条件在拓扑绝缘体材料的量子序调控研究中取得新进展,相关结果以《拓扑绝缘体Sr0.065Bi2Se3压力诱导的再现超导电性》为题,发表在美国物理评论杂志Physical Review B上。

报告会中,EugeneGregoryanz以“What diamond anvil cell can do: a perfect window into the world of extreme conditions”为题,从什么是极端条件讲起,列举了存在极端压力、极端温度以及同时满足极端压力和温度的例子,提出为什么极端条件的研究是有意义的。通过展示钠在200GPa压强下成为透明绝缘体,氧在100GPa的压强下成为金属和超导体,碳与金刚石在不同压强下的转换,植物和恒星是极端条件下的天然实验室,引起大家对报告的浓厚兴趣。EugeneGregoryanz向我们展示了宇宙中不同压力范围所对应的情形,结合对压强研究历史的回顾,得出产生压强的两种方式:动压和静压;进而回顾了静压的发展和当前所能达到的极限。他详细讲解了压强对碱金属、氢相变的影响,并且给出如何利用拉曼光谱来研究相变过程。会后,EugeneGregoryanz详细解答了师生提出的相关问题。EugeneGregoryanz的报告循序渐进、深入浅出,使在座师生对极端条件和极端过程的研究有了新的认识。

伴随着拓扑绝缘体的发现,材料的拓扑特性以及新奇量子效应在过去的十年里受到了广泛的关注和研究,拓扑电子材料家族也从最初的拓扑绝缘体逐渐扩展到狄拉克半金属和外尔半金属等。ZrTe5最初由于具有大的热电势作为热电材料被广泛研究,而最近的理论研究表明,单层的ZrTe5是一个具有大能隙的量子自旋霍尔绝缘体,块体材料的拓扑性质位于强-弱拓扑绝缘体之间。然而,角分辨光电子能谱和磁场下红外光谱的研究实验表明ZrTe5可能是一个三维狄拉克半金属材料。该研究团队田明亮研究组最近在ZrTe5的磁输运性质研究中实验观测到了与狄拉克半金属相关的手征磁效应【Phys. Rev. B 93, 115414 。所有这些结果表明ZrTe5是一个研究拓扑相变的理想体系,因为该材料的拓扑特性灵敏于外参量的变化。

具有拓扑性质的半金属材料是最近凝聚态物理和材料科学领域的一个研究热点。层状的ZrTe5作为一种热电材料的同时,因其具有高磁阻、手性反常磁效应等性质而广受关注。最近的研究表明,单层ZrTe5拥有较大的能隙,且具有良好的弹性,这些独特性质使ZrTe5成为很有希望的量子自旋霍尔材料。此外,由层状ZrTe5堆积而成的三维体块材料有可能间于强拓扑绝缘体和弱拓扑绝缘体之间,其究竟是拓扑绝缘体还是半金属目前还没有定论。ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。于此同时,高压是改变相互作用及其电子态的有效方法。高压下的晶体会展现出许多常压下所不具有的性质,如结构相变和能带性质的变化,甚至出现新的超导相等等。

拓扑绝缘体是一种新的量子物态,这种物态的体电子态是有能隙的绝缘体,而其表面则是无能隙的金属态,并且受到时间反演对称性的保护非常稳定,基本不受杂质与无序的影响。不同于一般意义上的由于表面未饱和键或是表面重构导致的表面态,拓扑绝缘体的表面态完全由材料体电子态的拓扑结构决定,与表面的具体结构无关。拓扑绝缘体的概念同样也适用于超导体。理论研究表明在拓扑超导体中可能出现马约拉纳费米子,被预测的马约拉纳费米子在拓扑超导体中将以受保护的束缚态存在。近年来,人们为了找到真实的拓扑超导材料开展了大量的研究工作。其中,Cu插层的拓扑绝缘体Bi2Se3由于容易获得大尺寸块体超导单晶受到了广泛的关注。但是,CuxBi2Se3是否为拓扑超导体目前仍然存在争议。最近,张昌锦课题组研究发现SrxBi2Se3单晶表现出高达91.5%的超导体积比,在10特斯拉到35特斯拉磁场区间出现了周期性的量子振荡信号,给出了此体系存在拓扑保护表面态的证据【J. Am. Chem. Soc. 137, 10512 。这些结果表明SrxBi2Se3是一个非常有利于探索拓扑超导的体系。

上海高压科学技术研究中心“千人计划”获得者、我校1990级校友陈晓嘉作了题为“Tuning quantum topology, thermoelectricity, and superconductivity for energy applications”的报告。陈晓嘉的报告包括压力诱导热电性质的增强、压力诱导超导电性和对基体材料中已经存在的超导电性和拓扑序的检验三个方面的内容。报告中,他讲解了如何评价和测量热电材料,阐述了通过压力诱导增强材料的优值和超导性的机理。最后,他指出通过压力诱导热电材料提供了一条诱导超导性、甚至实现拓扑超导性的新途径。陈晓嘉的报告通俗易懂,为相关理论计算的老师提供了新的思路和启发。会后,陈晓嘉与相关老师进行了深入的学术交流。

压力作为一个基本的热力学参量,是一个干净的调控手段,它可以有效地调节晶格和电子态,特别是材料的量子态。研究人员通过对ZrTe5单晶进行高压下的电阻和交流磁化率测量(压力最高达到68.5GPa)发现,伴随着常压下128K附近电阻峰的逐渐抑制,样品在6.2GPa时表现出Tc=1.8 K的超导电性,超导转变温度Tc随压力增加而增加,在14.6GPa时达到4K的最大值。当压力增加到21.2GPa之上,第二个超导相(Tc=6K)被诱导出来,并和原先的超导相共存。原位高压同步辐射X射线衍射实验和拉曼光谱并结合理论计算表明这两个超导相分别对应于压力诱导的ZrTe5结构转变,此外他们还从理论上探讨了该体系出现拓扑超导电性的可能性。

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压力作为一个基本的热力学参量,是一个干净的调控手段,它可以有效地调节晶格和电子态,特别是材料的量子态。研究人员综合利用高压下的电输运测量、同步辐射X射线衍射和拉曼光谱等实验手段,对超导的拓扑绝缘体Sr0.065Bi2Se3单晶进行了详细研究(压力最高达到80GPa)。研究发现压力诱导了再入的超导电性和结构相变。在1.5GPa以下压力范围,样品的超导转变温度随着压力的增大逐渐减小至零,之后,样品电阻从金属导电变为半导体导电。随着压力的进一步增加,体系在6GPa附近再次出现Tc为3.6K的超导转变,此时高压单斜相C2/m出现并与原先菱形相R-3m共存,而超导转变温度先略微降低后升高,在14GPa达到8.8K,此时仅有单斜相C2/m。最后,www.89677.com,Tc几乎不变一直到80GPa,并伴随25GPa附近出现高压四方相I4/mmm。这些结果表明Sr0.065Bi2Se3与母体Bi2Se3拓扑绝缘体中高压结构相变诱导可能的p波超导电性相似,Sr原子的插入保留了母体拓扑绝缘体的晶体结构。

(物理与材料科学学院 高玉峰 刘 宁)

该工作在PNAS在线发表后不久,PHYS.ORG的专栏作家Stuart Mason Dambrot 以Cool under pressure: Superconductivity in 3D Dirac semimetal zirconium pentatelluride 为题撰文对该工作进行了详细报道。

图-1 ZrTe5在高压下的相图。实验测量发现6GPa左右出现第一个超导相,20GPa左右出现第二个超导相。

高压电输运测量部分实验是在稳态强磁场实验装置的高压-强磁场-低温综合测量系统上完成的。上述研究成果得到了国家自然科学基金、“973”计划等项目的资助。该工作合作单位还包括中科院合肥研究院固体物理研究所、美国阿贡国家实验室以及南京大学协同创新中心。

上述研究成果得到了国家自然科学基金、“973”计划等项目的资助。该工作合作单位还包括中科院合肥研究院固体物理研究所、美国阿贡国家实验室、上海高压先进科研中心以及南京大学协同创新中心。

图-1是根据实验数据得出的ZrTe5的相图。在压力较低的范围内,随着温度的降低,ZrTe5在较低温度范围内会出现一个电阻的反常峰,这与之前的实验报道相吻合。而随着压力的升高,ZrTe5在较低温范围内出现的电阻反常峰逐渐被压制,当压力达到6GPa左右时,反常峰被完全压制的同时出现第一个超导相。随着压力的进一步增加,在20GPa左右开始出现第二个超导相,并且超导转变温度逐渐提升,在30GPa左右达到约6K的峰值。在压力更进一步提高后,超导开始温度又开始逐渐降低。

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图-2 基于第一性原理计算的晶体结构预测结果。A.焓值-压强关系图,分别在5GPa和20GPa左右有两个高压相变; B. C2/m相晶体结构图;C. P-1相的晶体结构。

压力下Sr0.065Bi2Se3的状态方程和超导相图

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实验上并不知道这些超导相的晶体结构,即使通过高压同步辐射测量,仅依靠实验数据去解晶体结构也是非常困难的。孙建教授课题组在预测晶体结构及高压相变方面积累了一定的经验。他们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对ZrTe5在高压下的相变和晶体结构进行了分析,运用随机搜索方法预测了多种可能的晶体结构,经焓值计算后确定了C2/m和P-1两种相在高压下有机会成为稳定相,相变压强分别在5GPa和20GPa左右,与实验上吻合得很好。计算所得的声子谱也表明这两种结构在各自压强下是动力学稳定的。更为令人高兴的是,而后进行的高压同步辐射实验也确实测到了这两种结构。

单晶ZrTe5的温度-压力相图

该工作表明,理论和实验的通力合作与协同创新可以大大提高研究工作的效率和水平。高压作为一种干净的手段,可以有效调节体系的电子性质而不引入杂质,用高压方法来研究材料的拓扑性质是一个很有前景的方向。

研究得到了中组部青年千人计划、科技部重大研究计划、国家自然科学基金委项目、江苏省杰出青年基金、江苏省双创人才等基金的资助。

(物理学院 科学技术处)

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