硫族化合物三維拓?fù)浣^緣體高壓研究獲進(jìn)展
文章來源：未知 更新時(shí)間：2018-12-05 15:48:46
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拓?fù)浣^緣體是當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究的重要量子材料之一。理想的拓?fù)浣^緣體體內(nèi)為絕緣態(tài)，而表面為金屬態(tài)，表面電子態(tài)受軌道-自旋相互作用和時(shí)間反演對稱性的保護(hù)。由于具有M2X3（M通常為五族金屬元素Bi或Sb，X為六族非金屬元素Te、Se或S）化學(xué)組成的硫族化合物的原子具有相近的電負(fù)性，同時(shí)又具有斜方六面體的晶體結(jié)構(gòu)，因而利于形成拓?fù)浣^緣體。在對這類材料的研究中有兩個(gè)備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題：一是其表面態(tài)與體態(tài)的關(guān)系如何，對這個(gè)問題的深入理解對拓?fù)浣^緣體具有重要意義；另一個(gè)是能否將其通過化學(xué)或物理方法調(diào)制成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，如果能夠成功調(diào)制拓?fù)涑瑢?dǎo)體，將會(huì)在自旋電子學(xué)與量子計(jì)算等方面具有重大的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而，前期的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，所發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體的體態(tài)具有較高的載流子濃度，難以在輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)上將表面態(tài)與體態(tài)進(jìn)行區(qū)分，為表面態(tài)導(dǎo)電特性的研究帶來困難。最近，拓?fù)洳牧系闹苽溆辛诵碌陌l(fā)展，制備出了理想的三維拓?fù)浣^緣體Bi2Te2Se（BTS）和Bi1.1Sb0.9Te2S（BSTS），其不僅具有金屬表面態(tài)而且體態(tài)具有高度的絕緣性，為表面態(tài)與體態(tài)關(guān)系的研究提供了機(jī)遇。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孫力玲、博士生蔡樹等，在研究員胡江平、博士勒聰聰理論計(jì)算的配合下，與普林斯頓大學(xué)教授R.Cava等合作，對BTS和BSTS三維拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)和潛在的超導(dǎo)電性開展了系統(tǒng)的高壓研究。通過高壓原位電阻、磁化率和同步輻射XRD實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)盡管這兩種材料的體態(tài)電導(dǎo)在較低壓力的作用下增大了幾個(gè)數(shù)量級且隨溫度發(fā)生變化，但表面態(tài)電導(dǎo)卻不隨溫度和壓力變化，首次從實(shí)驗(yàn)上揭示了這類拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)導(dǎo)電性是獨(dú)立于體態(tài)導(dǎo)電性的。
此外，對這兩種拓?fù)浣^緣體較高壓力下的研究結(jié)果表明：不同的壓力下在兩種材料中都能誘導(dǎo)出兩個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，這兩個(gè)超導(dǎo)相均出現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)相變的邊界處。通過與之前M2X3體系拓?fù)浣^緣體高壓研究結(jié)果的分析對比，首次得到了這類拓?fù)浣^緣體具有普適的壓力-超導(dǎo)相圖。這些結(jié)果為理解拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而為深入研究拓?fù)浣^緣體的關(guān)鍵問題，提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
上述工作分別以Independence of topological surface state and bulk conductance in three-dimensional topological insulators 和Universal superconductivity phase diagram for pressurized tetradymite topological insulators 為題目發(fā)表在【npj Quantum Materials, 3, 62 (2018)】和【Phys. Rev. Materials, 2(2018)114203】上。
該項(xiàng)研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFA0302900, 2016YFA0300300，2017YFA0303103)、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目(11427805,U1532267,11604376)、中科院B類先導(dǎo)項(xiàng)目和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的支持。高壓X射線衍射實(shí)驗(yàn)室是在中科院高能物理研究所同步輻射裝置4W2線站和上海光源15U線站上完成的。
圖1. Bi2Te2Se（BTS）和Bi1.1Sb0.9Te2S（BSTS）三維拓?fù)浣^緣體中表面態(tài)和體態(tài)隨溫度和壓力的變化。
圖2. M2X3 (M=Bi, X=Te, Se, S)型拓?fù)浣^緣體的普適溫度-壓力相圖 |
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