《美国科学院院刊》刊登我校物理学院关于ZrTe5高压相的研究成果

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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[Y. Zhou et al., Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 2904
]。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。

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。

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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。

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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。

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。

www.sbf888.com ,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。

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。

(物理学院 科学技术处)

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