近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員楊昭榮、田明亮與南京大學教授孫建、萬賢綱以及北京高壓科學研究中心研究員楊文革、中國科學院外籍院士毛河光等組成的合作研究團隊，利用高壓、強磁場極端條件在拓撲電子材料的量子序調(diào)控研究中取得新進展，相關(guān)結(jié)果以《壓力誘導(dǎo)三維拓撲材料ZrTe5超導(dǎo)電性》為題，發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）上。

　　伴隨著拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)，材料的拓撲特性以及新奇量子效應(yīng)在過去的十年里受到了廣泛的關(guān)注和研究，拓撲電子材料家族也從最初的拓撲絕緣體逐漸擴展到狄拉克半金屬和外爾半金屬等。ZrTe5最初由于具有大的熱電勢作為熱電材料被廣泛研究，而最近的理論研究表明，單層的ZrTe5是一個具有大能隙的量子自旋霍爾絕緣體，塊體材料的拓撲性質(zhì)位于強-弱拓撲絕緣體之間。然而，角分辨光電子能譜和磁場下紅外光譜的研究實驗表明ZrTe5可能是一個三維狄拉克半金屬材料。該研究團隊田明亮研究組最近在ZrTe5的磁輸運性質(zhì)研究中實驗觀測到了與狄拉克半金屬相關(guān)的手征磁效應(yīng)【Phys. Rev. B  93, 115414 (2016)】。所有這些結(jié)果表明ZrTe5是一個研究拓撲相變的理想體系，因為該材料的拓撲特性靈敏于外參量的變化。

　　壓力作為一個基本的熱力學參量，是一個干凈的調(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)。研究人員通過對ZrTe5單晶進行高壓下的電阻和交流磁化率測量（壓力最高達到68.5GPa）發(fā)現(xiàn)，伴隨著常壓下128K附近電阻峰的逐漸抑制，樣品在6.2GPa時表現(xiàn)出Tc=1.8 K的超導(dǎo)電性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc隨壓力增加而增加，在14.6GPa時達到4K的最大值。當壓力增加到21.2GPa之上，第二個超導(dǎo)相（Tc=6K）被誘導(dǎo)出來，并和原先的超導(dǎo)相共存（如圖）。原位高壓同步輻射X射線衍射實驗和拉曼光譜并結(jié)合理論計算表明這兩個超導(dǎo)相分別對應(yīng)于壓力誘導(dǎo)的ZrTe5結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，此外他們還從理論上探討了該體系出現(xiàn)拓撲超導(dǎo)電性的可能性。

　　該工作在PNAS在線發(fā)表后不久，PHYS.ORG的專欄作家Stuart Mason Dambrot 以Cool under pressure: Superconductivity in 3D Dirac semimetal zirconium pentatelluride 為題撰文對該工作進行了詳細報道。

　　上述研究成果得到了國家自然科學基金、“973”計劃等項目的資助。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、美國阿貢國家實驗室、上海高壓先進科研中心以及南京大學協(xié)同創(chuàng)新中心。

單晶ZrTe5的溫度-壓力相圖