物理所拓撲化合物研究取得新進展

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）靳常青研究組和方忠研究組密切合作，在拓撲化合物研究中取得新進展。相關工作發表在美國《國家科學院院刊》上【Proc. Natl Acad. Sci. (PNAS) 108, 24 (2011);doi: 10.1073/pnas.1014085108】。

　　自然界中物質按照導電性可分為金屬、絕緣體、半導體等。拓撲絕緣體指一類新的物質狀態，它的體態為絕緣體而表（界）面態為金屬。這種表（界）面金屬態受時間反演不變的拓撲性質保護，為材料內稟特性而和具體結構無關，所以拓撲絕緣體的表面金屬態對（磁）雜質、形變等擾動非常穩定。作為一種新的物質狀態，拓撲化合物在近幾年得到越來越多物理學家的重視。理論預言了拓撲材料許多奇異物性，其中拓撲超導電性尤其引人注目。與拓撲絕緣體類似，這類超導體塊材具有配對能隙，但在表面上可能存在一類新的準粒子Majorana費米子（相當于Dirac費米子的“一半”，它的反粒子即它本身）。與通常的玻色、費米子不同，Majorana費米子具有非阿貝爾屬性，即對稱操作的結果與操作順序有關，為設計新概念的拓撲量子計算機提供了重要途徑。此前，物理所的研究人員已在拓撲絕緣體的研究方面取得若干重大進展，但拓撲超導電性的觀察仍是一個巨大挑戰。

　　在本項工作中，靳常青研究組和方忠研究組運用基于金剛石壓砧的高壓低溫綜合實驗技術，在三維拓撲化合物Bi₂Te₃中成功地觀察到壓力誘導的超導轉變。他們生長了高質量的P型Bi₂Te₃單晶，在3～6GPa壓力范圍發現了Tc≈3K的超導轉變。進一步研究表明，這種轉變（電阻陡降）的溫度隨外加磁場向低溫端移動，表明轉變的超導屬性。結構實驗表明，在上述壓力區間Bi₂Te₃依然保持常壓相構型，基于實驗測量的結構數據，第一性原理計算證實母體相依然具有拓撲屬性。即在呈現超導轉變的壓力區間，Bi₂Te₃的表面態依然具有Dirac錐的特征，所以形成體材料超導的p-型載流子費米面與Γ-點附近的Dirac表面態相對獨立。

　　在Bi2Te3中觀察到的超導屬性的可能物理圖像為：通過適當摻雜（載流子濃度1018/cm3），首先在體內產生超導。進一步，通過近鄰(proximity)效應，體態超導將表面態誘變為超導態。而具有Dirac錐的表面態的超導應為拓撲超導態，超導波函數可能具有Px+ipy對稱。他們和斯坦福大學張首晟教授合作，類比He3的Balian- Werthamer相，進一步探討了在Bi₂Te₃實現具有自旋三重態的體態拓撲超導的可能。

　　本工作得到科技部重大科學研究計劃、基金委重大國際合作和重大研究計劃的資助。

　　圖1 A：Bi₂Te₃單晶的電導隨溫度的變化，在3.2GPa以上呈現超導轉變，超導轉變溫度～3K。插圖給出了超導轉變溫度處電阻隨溫度變化的微分，呈現峰值變化，由此定義了超導起始(Tconset)、中間(Tcmid)、和零電阻(Tczero)溫度。B:放大的低溫超導轉變部分，在低壓區間超導轉變溫度(3K)幾乎不隨壓力變化，而在高壓出現高于8K的超導轉變。我們的高壓結構實驗表明，低壓區間樣品依然保持常壓相構型，而在高壓區間則產生晶體結構相變形成新相，本文研究集中在具有常壓相的低壓區間。

　　圖2 A：Bi₂Te₃單晶在6.1GPa壓力的超導轉變溫度隨外加磁場的變化， Tc隨場向低溫移動（如插圖），磁場和C軸平行。B: Hall系數測量表明樣品的載流子為p型，濃度約為1018/cm3量級，在低壓區載流子隨加壓濃度略有增加。

　　圖3：基于第一性原理計算的Bi₂Te₃常壓相在不同壓力（常壓和4GPa）的電子結構（左）和表面態（右）的演化，根據實驗測定的載流子濃度對化學勢進行了相應移動進入價帶頂部，插圖為相應的Fermi面結構。