澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。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[澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。Y. Zhou et al., Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 2904
]澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。。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。

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

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》(澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。PNAS澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。)上。

澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。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。

澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。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。

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。

澳门大赌场网址 1

澳门大赌场网址 2

澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。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时表现出澳门大赌场网址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,ZrTe5的上述性质使其成为研究拓扑相变的优秀平台。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。

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。

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。

该工作在PNAS在线发表后不久,PHYS.ORG的专栏作家Stuart Mason Dambrot
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。

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。

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。

澳门大赌场网址 3

澳门大赌场网址 4

文章链接

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。

图2 理论计算的TaAs高压相的电子结构和Weyl点。

报道链接

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。

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。

澳门大赌场网址 5

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。

澳门大赌场网址 6

单晶ZrTe5的温度-压力相图

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。

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。

(物理学院 科学技术处)

相关文章