几类典型拓扑电子材料高压物性研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaohan5213250
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近年来先后涌现出了包括拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属等多种拓扑电子材料,由于其特殊的拓扑电子特性和潜在的应用价值,已成为当前凝聚态物理理论和实验研究的热点。拓扑绝缘体可以表现出与普通绝缘体完全不一样的量子现象与物性,例如:拓扑保护的表面态、反弱局域化,量子自旋/反常霍尔效应等。狄拉克半金属的表面态是由两个手性相反的费米弧组成。它既不同于拓扑绝缘体表面的二维狄拉克锥,也不同于外尔半金属表面的开放费米弧。理论上通过调制三维狄拉克半金属的参数可以使其转变成拓扑绝缘体、外尔半金属乃至拓扑超导体等其它拓扑物态。最近,外尔半金属已经被实验证实,它们因为具有成对的零能隙外尔点、自旋极化的表面态费米弧、手征反常导致的负磁阻等受拓扑保护的奇异物性受到人们高度的关注,并有望实现低能耗的电子传输和高容错的拓扑量子计算。  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。鉴于近年来拓扑电子材料研究领域方面一系列新的研究发现,我们利用高压下的原位电输运测量、磁化率测量、同步辐射X射线衍射和拉曼光谱等实验手段,结合理论分析和基于密度泛函的第一性原理计算,开展了几种典型拓扑电子材料高压下的物性研究。主要成果如下:  一、在狄拉克半金属ZrTe5中发现了压力诱导的超导电性。高压下电阻、交流磁化率、同步辐射X射线衍射和拉曼光谱实验结果表明,在临界压力6.2GPa附近出现超导电性,并伴随128K附近电阻反常的完全抑制和从Cmcm到C2/m的高压结构相变。超导转变温度Tc随压力增加而增加,在14.6GPa时达到最大值4K,之后几乎保持不变一直到68.5GPa。在压力高于21.2GPa时,具有P-1结构的第二个超导相出现并与原先C2/m结构的超导相共存,最大Tc为6.0K。理论计算结果表明低压区的超导可能不具有拓扑特性,但20GPa之上具有复杂的费米面和新奇的超导相还需要进一步研究。  二、在TaAs中发现了压力诱导的等能外尔费米子。常压下TaAs四方相I41md中的24个外尔点处在两个不同的能级上,一直到14GPa都能稳定存在;14GPa之上出现高压六方相P-6m2,它被预测仅有12个外尔点并处在相同能级,这会大大减弱其体态与表面态之间的干涉。这是新外尔半金属相,可以稳定保留至常压,为常压下进一步研究其单一等能外尔费米子新奇的表面电子态等提供了可能。  三、证实了第二类外尔半金属候选材料WTe2中存在压力诱导的结构相变。高压下的拉曼光谱和电阻实验结果表明,常压下的两个拉曼振动频率在压力增加到6.0GPa的过程中逐渐向高频方向移动;在6.0GPa附近发现一个新的拉曼振动模式和非零电阻导电行为。这些结果表明在6.0GPa附近发生了结构相变,并导致超导转变展宽。基于目前WTe2理论计算的结果和MoTe2相关的结构数据,我们推测WTe2的高压相可能是单斜1T相。  四、在超导的拓扑绝缘体Sr0.065Bi2Se3中发现了压力诱导的两个新超导相。伴随超导随压力增加而逐渐被抑制并在1.5GPa附近消失,体系在6GPa再次出现3.6K的超导,此时单斜相C2/m出现并与原先菱形相R-3m共存,而超导转变温度Tc先略微降低后升高,在14GPa达到8.8K,仅存在单斜相C2/m;最后,Tc几乎不变一直到80GPa,并伴随25GPa附近出现四方相I4/mmm。这些结果表明Sr0.065Bi2Se3定性上与母体Bi2Se3拓扑绝缘体中结构相变诱导的超导电性相似。
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