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P奇骏L电视发表本身校物理大学关于TaAs高压相的

发布时间:2019-11-01 17:06编辑:环球彩票登录网址浏览(134)

    该工作得到了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、科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、江苏省双创人才计划和六大人才高峰等项目的资助。

    (物理学院 科学技术处)

    课题研究人员利用基于第一性原理计算的晶体结构预测方法仔细研究了TaAs在高压下的可能结构,预言了TaAs在14GPa的高压下会出现新的稳定相(空间群为P-6m2),如图1所示。更为有意思的是,在仔细研究了这个高压相的电子结构后,课题研究人员发现它是一种全新Weyl半金属相,与常压相不同,高压相在其动量空间只有一套共6对Weyl点,并且这6对Weyl点处在同一能量面上,为角分辨光电子能谱实验观测带来一定的便利,并可能为研究拓扑表面态与材料其他性质之间的关联提供了很好的平台。计算所得的声子谱表明这种新的高压结构即使是在常压下也能作为亚稳相存在。课题研究人员的理论预言被合作者的高压输运测量实验和高压同步辐射XRD实验所证实,实验测得的相变压强与理论预言符合得很好。

    近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组与温锦生课题组、陈延彬课题组合作,利用碱金属插层的方法在Weyl半金属WTe2中实现了超导转变。该工作以“Superconductivity in Potassium-Intercalated Td-WTe2”为题于2018年9月18日在Nano Letters上在线发表(https:/doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03180)。南京大学物理学院博士生朱立为论文的第一作者;李绍春教授、温锦生教授和陈延彬教授为该工作的共同通讯作者。

    该工作以“Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly in Type II Weyl Semi-Metal WTe2”为题,近日(2018年11月7日)在线发表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03924)。我校物理学院博士生李乔、博士生何超城和博士生王瑶佳为该工作的共同第一作者,缪峰教授、王强华教授和梁世军副研究员为该工作的共同通讯作者。中国科学技术大学陈仙辉教授和中科院物理所石友国研究员为该工作提供了实验材料的支持,我校物理学院的邵陆兵副教授也参与了该合作课题。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及南京大学卓越计划、国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划青年项目、国家自然科学基金等项目的资助。

    图3 理论计算TaAs高压相方向的表面态及费米弧。

    (物理学院 科学技术处)

    这项工作首先利用二维材料可控转移技术,制备了WTe2/NbSe2范德华垂直异质结。在这个结构中,NbSe2作为超导体,在垂直方向上通过近邻效应诱导实现了WTe2超导,如图b所示,可以根据测量的临界电流证实超导信号来自于WTe2。同时, WTe2在不同偏压下的微分电阻表现出了震荡的趋势,与一般超导体截然不同。对一般超导体,当电流导致超导被破坏时,电阻会从零瞬时变回常值电阻;而对于WTe2,微分电阻的震荡表明其在从超导态到正常态的变化过程中,库珀对的破坏并不是在瞬时发生的,而是一个逐步被破坏的过程。理论计算表明,WTe2被NbSe2诱导超导后,其态密度在超导带隙内是V型的,不同于一般超导体的U型。此外,态密度在带隙内的震荡趋势与实验结果吻合很好,证明了观察到的微分电阻震荡确实是WTe2超导的亚带隙反常引起的独特性质。最后,值得指出的是,除了利用近邻效应,在同样的WTe2体系中实现超导还可能有不同的技术途径,其中包括不久前我校物理学院李绍春教授合作团队提出的碱金属插层的实验手段。

    Weyl半金属材料是近年来国际凝聚态物理研究的热点之一。电子在这种材料中运动时其动量与自旋之间被绑定,从而没有背向的散射,可以实现无耗散的电子传输,可能在新一代的电子器件中有重要的应用。TaAs家族材料是较早在理论预言后很快被实验证实的Weyl半金属材料之一。在常压下,TaAs具有四方结构,其空间群为I41/md。这类材料体内有共有12对Weyl点,分别分布在两个不同的能级上,其电子结构比较复杂。

    图1KxWTe2的STM表面形貌图。钾插层WTe2的电阻随温度变化曲线。插图:在不同的外加磁场下的电阻随温度变化曲线。KxWTe2样品表面测量的扫描隧道显微谱显示超导能隙的存在。

    由于拓扑超导体在量子计算中潜在的巨大价值,近年来,全世界的科学家们对寻找潜在的拓扑超导材料表现出极大的兴趣。随着外尔半金属在近几年出现在科学家们的视野,理论预言超导态下的外尔半金属有可能成为拓扑超导的候选材料—外尔费米子的配对会表现出不同于普通BCS配对的性质。其中,与第一类外尔半金属相比,第二类外尔半金属由于拥有倾斜的外尔锥以及在电子空穴口袋边界形成外尔点,理论预言在超导态时,二类外尔半金属会表现出更显著的拓扑超导的性质。二碲化钨作为一种被广泛关注的第二类外尔半金属,研究其超导性质对探索拓扑超导具有重要的意义。然而本征的二碲化钨是非超导材料,如何使其在保持第二类外尔半金属特性的同时实现超导,是当前研究领域的一个重大挑战。

    另一方面,高压是调节材料晶体结构进而改变材料电子结构的重要手段,高压也是合成新材料的重要方法。近年来,研究人员在很多材料中用高压方法诱导出了超导电性。在一个具有拓扑性质的材料中加压,研究材料有没有可能在保持拓扑性质的同时出现超导也是研究拓扑超导的思路之一。所以,课题研究人员想尝试利用高压改变Weyl半金属的电子结构并探索可能的拓扑超导。

    电荷掺杂是一种相对常用而且有效的超导调控方法。该课题组采用液氨法成功地在WTe2单晶的范德瓦尔斯间隙中插入碱金属元素钾原子,获得了不同钾原子浓度的插层KxWTe2,如图所示。XRD精修结果显示,钾原子插层并没有明显改变WTe2的晶体结构,因此KxWTe2可能仍然保留了第二类Weyl 半金属的拓扑能带性质,而碱金属插层则主要起到了电荷掺杂的作用。图显示了电阻随温度变化的测量结果。随着温度下降,插层KxWTe2呈现出半金属特性,与未掺杂的WTe2一致;当温度到达~2.6 K附近时,电阻出现迅速的下降,并在~1.2 K完全降为零,表现出超导转变。施加外磁场可以观察到超导转变被抑制,如图插图所示。KxWTe2的超导性质表现出强烈的各向异性:沿平行于样品表面方向的临界磁场要比垂直方向的临界磁场大10倍左右。 这一性质与已经报道的一些超导体系相似,比如一些过渡金属二硫化物和铁基超导体。扫描隧道显微谱测量证实了超导能隙的存在,如图所示。

    图 a)WTe2/NbSe2异质结器件结构示意图;b)WTe2被诱导实现超导;c)微分电阻(dV/dI-Vds)的震荡数据;d)理论计算WTe2超导的亚带隙反常特性。

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    可以预期,常压下WTe2的超导转变将使得更多的实验测量手段可以被利用,从而为常压下研究WTe2的超导机制提供了材料基础。由于WTe2本身属于第二类Weyl半金属,钾插层的WTe2也为研究拓扑超导提供了一种新的候选材料。

    我校物理学院的缪峰教授课题组之前利用低温电子输运的手段,提供了二碲化钨作为第二类外尔半金属的有力实验证据(Nat. Commun. 2016, 7, 13142)。在此基础上,缪峰课题组近日又首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导,在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征;我校物理学院的王强华教授课题组理论结合实验,理论证明了实验观察到的微分电阻震荡来源于WTe2超导的亚带隙反常特性。需要指出的是,不同于之前人们研究的高压诱导超导,这项工作中近邻效应诱导的二碲化钨超导仍保持了其第二类外尔半金属的特征,为后续研究外尔半金属最终实现拓扑超导奠定了基础。

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    如何在拓扑材料中调节超导相变是近年来的凝聚态物理中的一个研究热点,有望实现拓扑超导体。作为第Ⅱ类Weyl半金属的候选材料以及由于不饱和磁阻现象的发现,WTe2引起了学术界的广泛关注。2015年,南京大学物理学院的宋凤麒等人和中科院物理所的孙力玲等人通过高压手段分别在WTe2中独立发现了超导转变。随后,南京大学物理学院的孙建等人通过DFT计算发现,这种高压下的超导现象伴随着的结构相变。然而一直以来在常压下都没有观察到WTe2的超导转变。因此,是否在WTe2中存在拓扑与超导的共存仍然是一个有待回答的问题。考虑到高压下的结构相变会导致材料的拓扑性质发生变化,寻找一种有效的调控方法来获得WTe2常压超导是非常必要的。

    (物理学院 科学技术处)

    这是一项多方努力合作完成的研究工作,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。我校物理学院博士生陆鹏超、杜永平为本文共同第一作者,孙建教授、万贤纲教授为共同通讯作者。我校物理学院邢定钰院士,合肥物质科学研究院张裕恒院士等指导并参与了研究工作。该项研究得到了中组部青年千人计划、科技部重点研发计划和973项目、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。

    图1 理论预言的TaAs各相的焓值和体积随压力变化的曲线,及其晶体结构。

    图2 理论计算的TaAs高压相的电子结构和Weyl点。

    近日,南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心的多个协同单位中的课题组通力合作,协同创新取得重要进展。包括我校物理学院孙建教授课题组、万贤纲教授课题组,中科院合肥物质科学研究院杨昭荣研究员课题组,以及北京高压研究中心杨文革研究员课题组等小组的研究人员,一同对Weyl半金属材料TaAs在高压条件下结构与拓扑性质的调控进行了深入研究,发现了TaAs在高压下存在一个新的拓扑相,而且它是一种与常压相不同的Weyl半金属,相关结果以Pressure-Induced New Topological Weyl Semimetal Phase in TaAs为题,发表在《物理评论快报》上(Physical Review Letters 117, 146402 。

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    关键词: 环球彩票登陆 物理 课题组 进展 超导