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中科院拉斯维加斯物质科研院,温尼伯商量院开

发布时间:2019-07-09 15:01编辑:科学浏览(109)

    该工作得到了科技部、国家自然科学基金委及合肥大科学中心项目资助。

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    高压电输运测量部分实验是在稳态强磁场实验装置的高压-强磁场-低温综合测量系统上完成的。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以及南京大学协同创新中心。

    近期,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、中国科学院强耦合量子材料物理实验室和物理系的陈仙辉教授研究组和美国密歇根大学物理系的李璐教授实验组等几个研究组合作,在强电子关联近藤绝缘体材料SmB6的表面态研究中取得重要进展,利用磁转矩测量技术在强磁场下首次观察到该体系中磁化率的德哈斯-范阿尔芬(deHaas-vanAlphen)振荡,证明二维高迁移率表面态的存在。相关研究成果以“Two-dimensionalFermisurfacesinKondoInsulatorSmB6”为题发表在12月5日的国际权威杂志《科学》上(Science346,1208 DOI:10.1126/science.1250366)。

    中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心张昌锦课题组利用稳态强磁场实验装置的五号水冷磁体,在30特斯拉磁场强度和0.36K极低温条件下进行了精密的数据测量,对近期发现的潜在的拓扑超导材料PdTe2的电子结构进行了研究,得到了完美的强磁场振荡信号。该工作从磁性和电性两个方面给出了该体系中占主导地位的单带电子结构,这一结果对后期关于拓扑超导材料的电子态结构研究具有重要意义。研究成果以De Hass-van Alphen and magnetoresistance reveal predominantly single-band transport behavior in PdTe2 为题,发表在8月12日出版的《科学报告》[Scientific Reports, 6, 31554 ]。

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    压力下Sr0.065Bi2Se3的状态方程和超导相图

    三维拓扑绝缘体是当今凝聚态物理领域的研究热点。这类材料当中存在很强的自旋轨道耦合效应,产生能带反转并在带结构中打开能隙,而能隙中存在受时间反演对称性保护的表面电子态。由于费米面落在带隙中,并穿过具有线性色散关系的拓扑表面态,三维拓扑绝缘体的体态呈现绝缘行为,而表面则表现出有较高迁移率和不受非磁性杂质散射影响等特殊输运性质。寻找典型的三维拓扑绝缘体材料被认为是有挑战性的工作,之前被研究较多的Bi系拓扑绝缘体由于存在自掺杂效应,通常被引入体载流子而在不同程度上掩盖表面态的输运特性。近年来理论研究提出在具有强电子关联的近藤绝缘体材料中可以存在拓扑非平庸的表面态。在近藤绝缘体中,低温下局域电子和巡游电子的杂化导致费米面附近打开能隙,产生电绝缘行为。理论计算指出在T<3K的低温下电阻出现反常饱和行为的近藤绝缘体SmB6可能是具有较好体绝缘性的三维拓扑绝缘体。一些输运实验的结果表明SmB6低温电阻饱和区域的输运行为被表面电子态主导。

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    该工作得到了科技部、国家自然科学基金委及合肥大科学中心项目资助。

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    前期的理论计算和角分辨光电子能谱实验结果均表明PdTe2材料具有复杂的多带电子结构,这极大地限制了对该体系的进一步研究。张昌锦课题组通过强磁场下的磁性测量观测到非常清晰和周期性的de Hass-van Alphen振荡信号,对该振荡信号进行傅里叶变换分析,发现该体系中存在一个占主导地位的振荡峰,相比于这个振荡峰,其它振荡峰的幅度至少都低一个数量级以上。这就说明该体系的电子结构完全可以简化为单带结构。该课题组还利用强磁场下的电阻率测试,从磁阻行为上也得到了单带行为的证据。

    强磁场中心张昌锦课题组利用稳态强磁场实验装置的五号水冷磁体,在30特斯拉磁场强度和0.36K极低温条件下进行了精密的数据测量,对近期发现的潜在的拓扑超导材料PdTe2的电子结构进行了研究,得到了完美的强磁场振荡信号。该工作从磁性和电性两个方面给出了该体系中占主导地位的单带电子结构,这一结果对后期关于拓扑超导材料的电子态结构研究具有重要意义。研究成果以“De Hass-van Alphen and magnetoresistance reveal predominantly single-band transport behavior in PdTe2”为题,发表在8月12日出版的Scientific Reports上 [Sci. Rep. 6, 31554 ]。

    最近,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课题组与张昌锦课题组紧密合作,利用高压和强磁场极端条件在拓扑绝缘体材料的量子序调控研究中取得新进展,相关结果以《拓扑绝缘体Sr0.065Bi2Se3压力诱导的再现超导电性》为题,发表在美国物理评论杂志Physical Review B上。

    密歇根大学的李璐教授研究组利用灵敏度极高的磁转矩电容测量法,通过特殊设计的悬臂装置将样品的磁化强度信号转化为电容信号采集,在超强磁场下成功观测到近藤绝缘体SmB6单晶样品的磁化率量子振荡(即德哈斯-范阿尔芬效应)。通过对振荡频率随磁场方向变化情况的分析,发现该材料中存在3个二维费米面,其中两个来自立方面,另一个存在于立方面。由此证明SmB6当中存在对应于不同晶面的多个二维电子态。利用滤波分析方法,进一步证明这些来自表面态的振荡信号具有非零贝里曲率,从而为SmB6是三维拓扑绝缘体的理论假设提供了有力实验证据。SmB6可能会成为首个在实验上发现的强关联三维拓扑绝缘体材料,对该材料中表面态性质的研究,对于深入理解电子关联体系的物理性质具有重大意义,也是对拓扑绝缘体单电子带理论的重要补充。同时,这一工作也是首次在实验中观察到近藤绝缘体当中的磁化率振荡,证明磁转矩测量是研究体绝缘材料表面态二维费米面的有效手段。

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    前期的理论计算和角分辨光电子能谱实验结果均表明PdTe2材料具有复杂的多带电子结构,这极大地限制了对该体系的进一步研究。张昌锦课题组通过强磁场下的磁性测量观测到非常清晰和周期性的de Hass-van Alphen振荡信号,对该振荡信号进行傅里叶变换分析,发现该体系中存在一个占主导地位的振荡峰,相比于这个振荡峰,其它振荡峰的幅度至少都低一个数量级以上。这就说明该体系的电子结构完全可以简化为单带结构。该课题组还利用强磁场下的电阻率测试,从磁阻行为上也得到了单带行为的证据。

    拓扑绝缘体是一种新的量子物态,这种物态的体电子态是有能隙的绝缘体,而其表面则是无能隙的金属态,并且受到时间反演对称性的保护非常稳定,基本不受杂质与无序的影响。不同于一般意义上的由于表面未饱和键或是表面重构导致的表面态,拓扑绝缘体的表面态完全由材料体电子态的拓扑结构决定,与表面的具体结构无关。拓扑绝缘体的概念同样也适用于超导体。理论研究表明在拓扑超导体中可能出现马约拉纳费米子,被预测的马约拉纳费米子在拓扑超导体中将以受保护的束缚态存在。近年来,人们为了找到真实的拓扑超导材料开展了大量的研究工作。其中,Cu插层的拓扑绝缘体Bi2Se3由于容易获得大尺寸块体超导单晶受到了广泛的关注。但是,CuxBi2Se3是否为拓扑超导体目前仍然存在争议。最近,张昌锦课题组研究发现SrxBi2Se3单晶表现出高达91.5%的超导体积比,在10特斯拉到35特斯拉磁场区间出现了周期性的量子振荡信号,给出了此体系存在拓扑保护表面态的证据【J. Am. Chem. Soc. 137, 10512 。这些结果表明SrxBi2Se3是一个非常有利于探索拓扑超导的体系。

    在0.36 K极低温和强磁场下,PdTe2样品呈现出良好的de Hass-van Alphen振荡信号;该振荡信号表现出随磁场强度的倒数的周期性振荡行为,插图中的傅里叶变化谱表明体系具有单带电子行为。

    在0.36 K极低温和强磁场下,PdTe2样品呈现出良好的de Hass-van Alphen振荡信号;该振荡信号表现出随磁场强度的倒数的周期性振荡信为,插图中的傅里叶变化谱表明体系具有单带电子行为。

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    拓扑超导材料由于其在基础物理研究和产业应用中的巨大前景而成为当前凝聚态物理和材料物理研究领域的热点课题。在过去的几年里,在掺杂的拓扑绝缘体中发现了CuxBi2Se3,SrxBi2Se3等潜在的拓扑超导材料,引起了人们广泛的关注。但是,目前对拓扑超导材料的电子态还没有比较完整的认识。

    拓扑超导材料由于其在基础物理研究和产业应用中的巨大前景而成为当前凝聚态物理和材料物理研究领域的热点课题。在过去的几年里,在掺杂的拓扑绝缘体中发现了CuxBi2Se3,SrxBi2Se3等潜在的拓扑超导材料,引起了人们广泛的关注。但是,目前对拓扑超导材料的电子态还没有比较完整的认识。

    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。研究人员综合利用高压下的电输运测量、同步辐射X射线衍射和拉曼光谱等实验手段,对超导的拓扑绝缘体Sr0.065Bi2Se3单晶进行了详细研究(压力最高达到80GPa)。研究发现压力诱导了再入的超导电性和结构相变。在1.5GPa以下压力范围,样品的超导转变温度随着压力的增大逐渐减小至零,之后,样品电阻从金属导电变为半导体导电。随着压力的进一步增加,体系在6GPa附近再次出现Tc为3.6K的超导转变,此时高压单斜相C2/m出现并与原先菱形相R-3m共存,而超导转变温度先略微降低后升高,在14GPa达到8.8K,此时仅有单斜相C2/m。最后,Tc几乎不变一直到80GPa,并伴随25GPa附近出现高压四方相I4/mmm。这些结果表明Sr0.065Bi2Se3与母体Bi2Se3拓扑绝缘体中高压结构相变诱导可能的p波超导电性相似,Sr原子的插入保留了母体拓扑绝缘体的晶体结构。

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