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三维拓扑化合物研究取得新进展

来源:PNAS       更新时间:2011-3-1 10:18:29
 

图1 A:Bi2Te3单晶的电导随温度的变化,在3.2GPa以上呈现超导转变,超导转变温度~3K。插图给出了超导转变温度处电阻随温度变化的微分,呈现峰值变化,由此定义了超导起始(Tconset)、中间(Tcmid)、和零电阻(Tczero)温度。  B:放大的低温超导转变部分,在低压区间超导转变温度(3K)几乎不随压力变化,而在高压出现高于8K的超导转变。我们的高压结构实验表明,低压区间样品依然保持常压相构型,而在高压区间则产生晶体结构相变形成新相,本文研究集中在具有常压相的低压区间。  

图2 A:Bi2Te3单晶在6.1GPa压力的超导转变温度随外加磁场的变化, Tc随场向低温移动(如插图),磁场和C轴平行。  B:Hall系数测量表明样品的载流子为p型,浓度约为1018/cm3量级,在低压区载流子随加压浓度略有增加。   图3:基于第一性原理计算的Bi2Te3常压相在不同压力(常压和4GPa)的电子结构(左)和表面态(右)的演化,根据实验测定的载流子浓度对化学势进行了相应移动进入价带顶部,插图为相应的Fermi面结构。   自然界中物质按照导电性可分为金属、绝缘体、半导体等。拓扑绝缘体指一类新的物质状态,它的体态为绝缘体而表(界)面态为金属。这种表(界)面金属态受时间反演不变的拓扑性质保护,为材料内禀特性而和具体结构无关,所以拓扑绝缘体的表面金属态对(磁)杂质、形变等扰动非常稳定。作为一种新的物质状态,拓扑化合物在近几年得到越来越多物理学家的重视。理论预言了拓扑材料许多奇异物性,其中拓扑超导电性尤其引人注目。与拓扑绝缘体类似,这类超导体块材具有配对能隙,但在表面上可能存在一类新的准粒子Majorana费米子(相当于Dirac费米子的“一半”,它的反粒子即它本身)。和通常的玻色、费米子不同,Majorana 费米子具有非阿贝尔属性,即对称操作的结果与操作顺序有关,为设计新概念的拓扑量子计算机提供了重要途径。拓扑绝缘体的研究已取得重大进展,中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的研究人员已做出若干杰出贡献(参看研究进展2010年16期、 19期、20期、 24期、 2011年3期:请链接以上简报),但拓扑超导电性的观察仍是一个巨大挑战。   最近,中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室靳常青研究组和理论室方忠研究组密切合作,运用基于金刚石压砧的高压低温综合实验技术,在三维拓扑化合物Bi2Te3中成功地观察到压力诱导的超导转变。他们生长了高质量的P型Bi2Te3单晶,在3~6GPa 压力范围发现了Tc≈3K的超导转变。进一步研究表明,这种转变(电阻陡降)的温度随外加磁场向低温端移动,表明转变的超导属性。结构实验表明在上述压力区间Bi2Te3依然保持常压相构型,基于实验测量的结构数据,第一性原理计算证实母体相依然具有拓扑

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