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在高压强磁场极端条件下对WTe2材料的物性研究中取得新进展,WTe2压力-超导温度相图理论预测态密度随压力变化及晶体照片

我校物理学院在WTe2样品高压下的电性方面取得新进展。该工作题为《WTe2中压力驱动的拱形超导电性及电子结构演化》(Pressure-driven
dome-shaped superconductivity and electronic structural evolution in
tungsten ditelluride),发表在7月23日的《自然· 通讯》 (Nature
Communications 6,: 7805, 2015,
,
doi:10.1038/ncomms8805)上。该工作由我校物理学院和合肥物质科学研究院协同开展,受到了科技部“量子调控”课题和团队自然科学基金项目的支持。潘星辰同学、陈绪亮助理研究员开展了实验工作,刘慧美同学进行了理论工作。宋凤麒教授、杨昭荣研究员和万贤纲教授联合担任本文通讯作者。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、强磁场中心和南京大学合作研究国家,在高压强磁场极端条件下对WTe2材料的物性研究中取得新进展。该国家利用金刚石对顶砧高压技术,通过研究电输运和磁化率,首次观测到了高压诱导的超导电性,并通过理论计算对磁电阻以及超导电性随压力的演化进行了系统研究,相关结果以《二碲化钨中压力驱动的穹顶型的超导电性及电子结构的演化》为题,发表在7月23日的Nature子刊《自然-通信》上,固体所研究员杨昭荣和南京大学教授宋凤麒、万贤刚为文章共同通讯作者。

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高压在研究材料新物性,尤其在探索新型超导材料中是一种干净纯粹且强有力的手段。WTe2是一种层状半金属材料,当温度为0.53K时,在60T的强磁场下,其磁电阻可达13,000,000%,并且仍然没有达到饱和。这一奇特现象引起了海内外研究人员的广泛关注。最近的理论研究表明,它可能是一种Weyl半金属,磁电阻的产生被认为与体系中费米面附近的空穴和电子载流子浓度的完美匹配有关,这种完美平衡态对于外界微扰极其敏感,如掺杂和应力等。

图: WTe2压力-超导温度相图理论预测态密度随压力变化及晶体照片

压力可以使晶格收缩,能带交叠增加,破坏这种载流子的平衡关系,从而可能诱发新的电子相变。基于这个考虑,合作国家在南京大学人工微结构协同创新中心框架下,迅速开展了高压下的实验和理论两方面的研究。实验发现:在压力为2.7GPa时,当温度降至3.1K以下,伴随着巨磁电阻效应的逐渐消失,电阻出现了一个急剧下降。随着压力的进一步增加,零电阻逐渐出现,说明电阻的陡降对应一个压力诱导的超导转变。在约17GPa时,超导转变温度TC达到最大值7K,且伴随压力继续增加,TC逐渐减小,表现出一个dome型的超导压力相图。高压下不同外加磁场的电阻以及磁化率的研究,进一步证明了超导电性的存在。另一方面,高压有关的理论计算表明,
TC刚开始随着压力增加而增大是费米面附近的态密度增加的结果,而更高压力下TC的逐渐减小则归因于晶格结构的失稳。

2014年10月,Nature刊文指出:WTe2拥有在60T磁场下不饱和的极大磁电阻,其物理机制植根于WTe2极为精致的半金属能带结构。早在2014年春天,该研究国家就因WTe2在二维材料中的独特地位开始开展相关工作。国家理论组注意到这一能带结构对晶格常数的极度敏感性,开展计算预言压力可能会诱导这种材料的超导电性。实验课题组合成了高质量的WTe2单晶,系统地开展了高压下低温电输运、磁化率测试工作。国家的紧密合作很快观察到了仅需2.5GPa即可实现的超导转变。该项工作发现,晶体在常压下可以显示巨大的磁电阻,一加高压,磁电阻倍数迅速下降,最早在2.5GPa,就观察到电阻在3.1K处的突然下降。随着压力增大,超导转变温度逐渐上升,并在16.8GPa时达到7K。零电阻和完全抗磁性的出现完美的证实了超导转变。课题组还获得了上临界场的数据。系统的测量给出一个拱型的压力-超导温度相图。无论有无传压介质,实验都可以得到类似的规律。该项工作指出这一拱形相图来自压力下态密度和结构稳定性的竞争。在低压力区域,随着压力增加,WTe2中的态密度迅速增加,从而降低了超导电性实现的难度。当压力继续增加,有可能出现结构的不稳定性,影响超导相的维持。分析认为,该工作较低的超导转变压强与样品质量的恰当调控有关。WTe2为理解过渡族金属硫族化物中的超导电性提供了一个新的平台。

上述研究成果得到了国家自然科学基金和973计划等项目的资助。

物理所课题组也观察到了类似的结果。据悉,在人工微结构协同创新中心框架下,该国家和复旦大学还在开展高磁电阻和光电子能谱的工作。WTe2也于近来被认为是新型Weyl费米子体系而受到越来越多的关注。

(物理学院 科学技术处)

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