高壓調(diào)控拓?fù)潆娮硬牧涎芯咳〉眯逻M(jìn)展

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員楊昭榮、田明亮與南京大學(xué)教授孫建、萬賢綱以及北京高壓科學(xué)研究中心研究員楊文革、中國科學(xué)院外籍院士毛河光等組成的合作研究團(tuán)隊，利用高壓、強(qiáng)磁場極端條件在拓?fù)潆娮硬牧系牧孔有蛘{(diào)控研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果以《壓力誘導(dǎo)三維拓?fù)洳牧蟌rTe5超導(dǎo)電性》為題，發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

　　伴隨著拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)，材料的拓?fù)涮匦砸约靶缕媪孔有?yīng)在過去的十年里受到了廣泛的關(guān)注和研究，拓?fù)潆娮硬牧霞易逡矎淖畛醯耐負(fù)浣^緣體逐漸擴(kuò)展到狄拉克半金屬和外爾半金屬等。ZrTe5最初由于具有大的熱電勢作為熱電材料被廣泛研究，而最近的理論研究表明，單層的ZrTe5是一個具有大能隙的量子自旋霍爾絕緣體，塊體材料的拓?fù)湫再|(zhì)位于強(qiáng)-弱拓?fù)浣^緣體之間。然而，角分辨光電子能譜和磁場下紅外光譜的研究實(shí)驗表明ZrTe5可能是一個三維狄拉克半金屬材料。該研究團(tuán)隊田明亮研究組最近在ZrTe5的磁輸運(yùn)性質(zhì)研究中實(shí)驗觀測到了與狄拉克半金屬相關(guān)的手征磁效應(yīng)【Phys. Rev. B  93, 115414 (2016)】。所有這些結(jié)果表明ZrTe5是一個研究拓?fù)湎嘧兊睦硐塍w系，因為該材料的拓?fù)涮匦造`敏于外參量的變化。

　　壓力作為一個基本的熱力學(xué)參量，是一個干凈的調(diào)控手段，它可以有效地調(diào)節(jié)晶格和電子態(tài)，特別是材料的量子態(tài)。研究人員通過對ZrTe5單晶進(jìn)行高壓下的電阻和交流磁化率測量（壓力最高達(dá)到68.5GPa）發(fā)現(xiàn)，伴隨著常壓下128K附近電阻峰的逐漸抑制，樣品在6.2GPa時表現(xiàn)出Tc=1.8 K的超導(dǎo)電性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc隨壓力增加而增加，在14.6GPa時達(dá)到4K的最大值。當(dāng)壓力增加到21.2GPa之上，第二個超導(dǎo)相（Tc=6K）被誘導(dǎo)出來，并和原先的超導(dǎo)相共存（如圖）。原位高壓同步輻射X射線衍射實(shí)驗和拉曼光譜并結(jié)合理論計算表明這兩個超導(dǎo)相分別對應(yīng)于壓力誘導(dǎo)的ZrTe5結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，此外他們還從理論上探討了該體系出現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的可能性。

　　該工作在PNAS在線發(fā)表后不久，PHYS.ORG的專欄作家Stuart Mason Dambrot 以Cool under pressure: Superconductivity in 3D Dirac semimetal zirconium pentatelluride 為題撰文對該工作進(jìn)行了詳細(xì)報道。

　　上述研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、“973”計劃等項目的資助。該工作合作單位還包括中科院合肥研究院固體物理研究所、美國阿貢國家實(shí)驗室、上海高壓先進(jìn)科研中心以及南京大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心。

單晶ZrTe5的溫度-壓力相圖