高压调控拓扑电子材料研究取得新进展

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员杨昭荣、田明亮与南京大学教授孙建、万贤纲以及北京高压科学研究中心研究员杨文革、中国科学院外籍院士毛河光等组成的合作研究团队，利用高压、强磁场极端条件在拓扑电子材料的量子序调控研究中取得新进展，相关结果以《压力诱导三维拓扑材料ZrTe5超导电性》为题，发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。

　　伴随着拓扑绝缘体的发现，材料的拓扑特性以及新奇量子效应在过去的十年里受到了广泛的关注和研究，拓扑电子材料家族也从最初的拓扑绝缘体逐渐扩展到狄拉克半金属和外尔半金属等。ZrTe5最初由于具有大的热电势作为热电材料被广泛研究，而最近的理论研究表明，单层的ZrTe5是一个具有大能隙的量子自旋霍尔绝缘体，块体材料的拓扑性质位于强-弱拓扑绝缘体之间。然而，角分辨光电子能谱和磁场下红外光谱的研究实验表明ZrTe5可能是一个三维狄拉克半金属材料。该研究团队田明亮研究组最近在ZrTe5的磁输运性质研究中实验观测到了与狄拉克半金属相关的手征磁效应【Phys. Rev. B  93, 115414 (2016)】。所有这些结果表明ZrTe5是一个研究拓扑相变的理想体系，因为该材料的拓扑特性灵敏于外参量的变化。

　　压力作为一个基本的热力学参量，是一个干净的调控手段，它可以有效地调节晶格和电子态，特别是材料的量子态。研究人员通过对ZrTe5单晶进行高压下的电阻和交流磁化率测量（压力最高达到68.5GPa）发现，伴随着常压下128K附近电阻峰的逐渐抑制，样品在6.2GPa时表现出Tc=1.8 K的超导电性，超导转变温度Tc随压力增加而增加，在14.6GPa时达到4K的最大值。当压力增加到21.2GPa之上，第二个超导相（Tc=6K）被诱导出来，并和原先的超导相共存（如图）。原位高压同步辐射X射线衍射实验和拉曼光谱并结合理论计算表明这两个超导相分别对应于压力诱导的ZrTe5结构转变，此外他们还从理论上探讨了该体系出现拓扑超导电性的可能性。

　　该工作在PNAS在线发表后不久，PHYS.ORG的专栏作家Stuart Mason Dambrot 以Cool under pressure: Superconductivity in 3D Dirac semimetal zirconium pentatelluride 为题撰文对该工作进行了详细报道。

　　上述研究成果得到了国家自然科学基金、“973”计划等项目的资助。该工作合作单位还包括中科院合肥研究院固体物理研究所、美国阿贡国家实验室、上海高压先进科研中心以及南京大学协同创新中心。

单晶ZrTe5的温度-压力相图