合肥研究院發(fā)現(xiàn)高壓誘導SrxBi2Se3超導電性再現(xiàn)

　　最近，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員楊昭榮課題組與張昌錦課題組緊密合作，利用高壓和強磁場極端條件在拓撲絕緣體材料的量子序調(diào)控研究中取得新進展，相關結果以《拓撲絕緣體Sr0.065Bi2Se3壓力誘導的再現(xiàn)超導電性》為題，發(fā)表在美國物理評論雜志Physical Review B上。

　　拓撲絕緣體是一種新的量子物態(tài)，這種物態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其表面則是無能隙的金屬態(tài)，并且受到時間反演對稱性的保護非常穩(wěn)定，基本不受雜質(zhì)與無序的影響。不同于一般意義上的由于表面未飽和鍵或是表面重構導致的表面態(tài)，拓撲絕緣體的表面態(tài)完全由材料體電子態(tài)的拓撲結構決定，與表面的具體結構無關。拓撲絕緣體的概念同樣也適用于超導體。理論研究表明在拓撲超導體中可能出現(xiàn)馬約拉納（Majorana）費米子，被預測的馬約拉納費米子在拓撲超導體中將以受保護的束縛態(tài)存在。近年來，人們?yōu)榱苏业秸鎸嵉耐負涑瑢Р牧祥_展了大量的研究工作。其中，Cu插層的拓撲絕緣體Bi2Se3由于容易獲得大尺寸塊體超導單晶受到了廣泛的關注。但是，CuxBi2Se3是否為拓撲超導體目前仍然存在爭議。最近，張昌錦課題組研究發(fā)現(xiàn)SrxBi2Se3單晶表現(xiàn)出高達91.5%的超導體積比，在10特斯拉到35特斯拉磁場區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號，給出了此體系存在拓撲保護表面態(tài)的證據(jù)【J. Am. Chem. Soc. 137, 10512 (2015)】。這些結果表明SrxBi2Se3是一個非常有利于探索拓撲超導的體系。

　　壓力作為一個基本的熱力學參量，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)。研究人員綜合利用高壓下的電輸運測量、同步輻射X射線衍射和拉曼光譜等實驗手段，對超導的拓撲絕緣體Sr0.065Bi2Se3單晶進行了詳細研究（壓力最高達到80GPa）。研究發(fā)現(xiàn)壓力誘導了再入的超導電性和結構相變。在1.5GPa以下壓力范圍，樣品的超導轉(zhuǎn)變溫度隨著壓力的增大逐漸減小至零，之后，樣品電阻從金屬導電變?yōu)榘雽w導電。隨著壓力的進一步增加，體系在6GPa附近再次出現(xiàn)Tc為3.6K的超導轉(zhuǎn)變，此時高壓單斜相C2/m出現(xiàn)并與原先菱形相R-3m共存，而超導轉(zhuǎn)變溫度先略微降低后升高，在14GPa達到8.8K，此時僅有單斜相C2/m。最后，Tc幾乎不變一直到80GPa，并伴隨25GPa附近出現(xiàn)高壓四方相I4/mmm。這些結果表明Sr0.065Bi2Se3與母體Bi2Se3拓撲絕緣體中高壓結構相變誘導可能的p波超導電性相似，Sr原子的插入保留了母體拓撲絕緣體的晶體結構。

　　高壓電輸運測量部分實驗是在穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF）的高壓-強磁場-低溫綜合測量系統(tǒng)上完成的。上述研究成果得到了國家自然科學基金、“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、美國阿貢國家實驗室以及南京大學協(xié)同創(chuàng)新中心。