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

　　最近，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)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(qiáng)磁場(chǎng)極端條件在拓?fù)浣^緣體材料的量子序調(diào)控研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果以《拓?fù)浣^緣體Sr0.065Bi2Se3壓力誘導(dǎo)的再現(xiàn)超導(dǎo)電性》為題，發(fā)表在美國(guó)物理評(píng)論雜志Physical Review B上。

　　拓?fù)浣^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(wú)能隙的金屬態(tài)，并且受到時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)非常穩(wěn)定，基本不受雜質(zhì)與無(wú)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(gòu)導(dǎo)致的表面態(tài)，拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)完全由材料體電子態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，與表面的具體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。拓?fù)浣^緣體的概念同樣也適用于超導(dǎo)體。理論研究表明在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中可能出現(xiàn)馬約拉納（Majorana）費(fèi)米子，被預(yù)測(cè)的馬約拉納費(fèi)米子在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中將以受保護(hù)的束縛態(tài)存在。近年來(lái)，人們?yōu)榱苏业秸鎸?shí)的拓?fù)涑瑢?dǎo)材料開(kāi)展了大量的研究工作。其中，Cu插層的拓?fù)浣^緣體Bi2Se3由于容易獲得大尺寸塊體超導(dǎo)單晶受到了廣泛的關(guān)注。但是，CuxBi2Se3是否為拓?fù)涑瑢?dǎo)體目前仍然存在爭(zhēng)議。最近，張昌錦課題組研究發(fā)現(xiàn)SrxBi2Se3單晶表現(xiàn)出高達(dá)91.5%的超導(dǎo)體積比，在10特斯拉到35特斯拉磁場(chǎng)區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號(hào)，給出了此體系存在拓?fù)浔Ｗo(hù)表面態(tài)的證據(jù)【J. Am. Chem. Soc. 137, 10512 (2015)】。這些結(jié)果表明SrxBi2Se3是一個(gè)非常有利于探索拓?fù)涑瑢?dǎo)的體系。

　　壓力作為一個(gè)基本的熱力學(xué)參量，是一個(gè)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(yùn)測(cè)量、同步輻射X射線衍射和拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)超導(dǎo)的拓?fù)浣^緣體Sr0.065Bi2Se3單晶進(jìn)行了詳細(xì)研究（壓力最高達(dá)到80GPa）。研究發(fā)現(xiàn)壓力誘導(dǎo)了再入的超導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)相變。在1.5GPa以下壓力范圍，樣品的超導(dǎo)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(dǎo)電變?yōu)榘雽?dǎo)體導(dǎo)電。隨著壓力的進(jìn)一步增加，體系在6GPa附近再次出現(xiàn)Tc為3.6K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，此時(shí)高壓?jiǎn)涡毕郈2/m出現(xiàn)并與原先菱形相R-3m共存，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度先略微降低后升高，在14GPa達(dá)到8.8K，此時(shí)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(jié)果表明Sr0.065Bi2Se3與母體Bi2Se3拓?fù)浣^緣體中高壓結(jié)構(gòu)相變誘導(dǎo)可能的p波超導(dǎo)電性相似，Sr原子的插入保留了母體拓?fù)浣^緣體的晶體結(jié)構(gòu)。

　　高壓電輸運(yùn)測(cè)量部分實(shí)驗(yàn)是在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）的高壓-強(qiáng)磁場(chǎng)-低溫綜合測(cè)量系統(tǒng)上完成的。上述研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、“973”計(jì)劃等項(xiàng)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(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及南京大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心。