【402cc永利手机版】物理学院在WTe2超导的研究中取得重要进展

近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组与温锦生课题组、陈延彬课题组合作,利用碱金属插层的方法在Weyl半金属WTe2中实现了超导转变。该工作以“Superconductivity
in Potassium-Intercalated Td-WTe2”为题于2018年9月18日在Nano
Letters上在线发表(https:/doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03180)。南京大学物理学院博士生朱立为论文的第一作者;李绍春教授、温锦生教授和陈延彬教授为该工作的共同通讯作者。

由于拓扑超导体在量子计算中潜在的巨大价值,近年来,全世界的科学家们对寻找潜在的拓扑超导材料表现出极大的兴趣。随着外尔半金属在近几年出现在科学家们的视野,理论预言超导态下的外尔半金属有可能成为拓扑超导的候选材料—外尔费米子的配对会表现出不同于普通BCS配对的性质。其中,与第一类外尔半金属相比,第二类外尔半金属由于拥有倾斜的外尔锥以及在电子空穴口袋边界形成外尔点,理论预言在超导态时,二类外尔半金属会表现出更显著的拓扑超导的性质。二碲化钨作为一种被广泛关注的第二类外尔半金属,研究其超导性质对探索拓扑超导具有重要的意义。然而本征的二碲化钨是非超导材料,如何使其在保持第二类外尔半金属特性的同时实现超导,是当前研究领域的一个重大挑战。

近日,南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心的多个协同单位中的课题组通力合作,协同创新取得重要进展。包括我校物理学院孙建教授课题组、万贤纲教授课题组,中科院合肥物质科学研究院杨昭荣研究员课题组,以及北京高压研究中心杨文革研究员课题组等小组的研究人员,一同对Weyl半金属材料TaAs在高压条件下结构与拓扑性质的调控进行了深入研究,发现了TaAs在高压下存在一个新的拓扑相,而且它是一种与常压相不同的Weyl半金属,相关结果以Pressure-Induced
New Topological Weyl Semimetal Phase in
TaAs为题,发表在《物理评论快报》上(Physical Review Letters 117, 146402

如何在拓扑材料中调节超导相变是近年来的凝聚态物理中的一个研究热点,有望实现拓扑超导体。作为第Ⅱ类Weyl半金属的候选材料以及由于不饱和磁阻现象的发现,WTe2引起了学术界的广泛关注。2015年,南京大学物理学院的宋凤麒等人和中科院物理所的孙力玲等人通过高压手段分别在WTe2中独立发现了超导转变。随后,南京大学物理学院的孙建等人通过DFT计算发现,这种高压下的超导现象伴随着的结构相变。然而一直以来在常压下都没有观察到WTe2的超导转变。因此,是否在WTe2中存在拓扑与超导的共存仍然是一个有待回答的问题。考虑到高压下的结构相变会导致材料的拓扑性质发生变化,寻找一种有效的调控方法来获得WTe2常压超导是非常必要的。

我校物理学院的缪峰教授课题组之前利用低温电子输运的手段,提供了二碲化钨作为第二类外尔半金属的有力实验证据(Nat.
Commun. 2016, 7,
13142)。在此基础上,缪峰课题组近日又首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导,在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征;我校物理学院的王强华教授课题组理论结合实验,理论证明了实验观察到的微分电阻震荡来源于WTe2超导的亚带隙反常特性。需要指出的是,不同于之前人们研究的高压诱导超导,这项工作中近邻效应诱导的二碲化钨超导仍保持了其第二类外尔半金属的特征,为后续研究外尔半金属最终实现拓扑超导奠定了基础。

Weyl半金属材料是近年来国际凝聚态物理研究的热点之一。电子在这种材料中运动时其动量与自旋之间被绑定,从而没有背向的散射,可以实现无耗散的电子传输,可能在新一代的电子器件中有重要的应用。TaAs家族材料是较早在理论预言后很快被实验证实的Weyl半金属材料之一。在常压下,TaAs具有四方结构,其空间群为I41/md。这类材料体内有共有12对Weyl点,分别分布在两个不同的能级上,其电子结构比较复杂。

电荷掺杂是一种相对常用而且有效的超导调控方法。该课题组采用液氨法成功地在WTe2单晶的范德瓦尔斯间隙中插入碱金属元素钾原子,获得了不同钾原子浓度的插层KxWTe2,如图所示。XRD精修结果显示,钾原子插层并没有明显改变WTe2的晶体结构,因此KxWTe2可能仍然保留了第二类Weyl
半金属的拓扑能带性质,而碱金属插层则主要起到了电荷掺杂的作用。图显示了电阻随温度变化的测量结果。随着温度下降,插层KxWTe2呈现出半金属特性,与未掺杂的WTe2一致;当温度到达~2.6
K附近时,电阻出现迅速的下降,并在~1.2
K完全降为零,表现出超导转变。施加外磁场可以观察到超导转变被抑制,如图插图所示。KxWTe2的超导性质表现出强烈的各向异性:沿平行于样品表面方向的临界磁场要比垂直方向的临界磁场大10倍左右。
这一性质与已经报道的一些超导体系相似,比如一些过渡金属二硫化物和铁基超导体。扫描隧道显微谱测量证实了超导能隙的存在,如图所示。

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a)WTe2/NbSe2异质结器件结构示意图;b)WTe2被诱导实现超导;c)微分电阻(dV/dI-Vds)的震荡数据;d)理论计算WTe2超导的亚带隙反常特性。

图1 理论预言的TaAs各相的焓值和体积随压力变化的曲线,及其晶体结构。

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