北理工在高壓誘導(dǎo)Bi4Br4相變和超導(dǎo)電性研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-08-26 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、李翔特別研究員、陳東云博士后以及團(tuán)隊(duì)其他成員,，同北京高壓科學(xué)研究中心朱金龍研究員,、金美玲博士后、美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校John B. Goodenough教授,、周建十教授等合作者,，在高壓誘導(dǎo)Bi4Br4相變和超導(dǎo)電性研究方面取得重要進(jìn)展。他們?cè)谧罡?5 GPa準(zhǔn)靜水壓的極端高壓條件下,，對(duì)高質(zhì)量的Bi4Br4單晶開展了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)-物性研究,，發(fā)現(xiàn)其在壓力下展現(xiàn)了絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)相變等一系列豐富的物理現(xiàn)象,，為全面理解Bi4Br4高壓相的量子拓?fù)涮匦蕴峁┝酥匾罁?jù),。相關(guān)成果最近發(fā)表在美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS上[ https://doi.org/10.1073/pnas.1909276116 ]。
自從拓?fù)浣^緣體的概念提出以來(lái),，關(guān)于物質(zhì)拓?fù)鋺B(tài)的研究已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的前沿課題,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)與合作者近期在大能隙拓?fù)浣^緣體材料的研究中取得了一系列重要進(jìn)展。他們通過(guò)理論計(jì)算與分析,，相繼預(yù)測(cè)了Bi4Br4,、Bi4I4、鉍烷（BiX：X="H,，F(xiàn),，Cl，Br,，I）等體系都是具有很大體能隙的拓?fù)浣^緣體[ Nano Lett. 14, 4767 (2014),、Phys. Rev. B 90, 085431 (2014)、NPG Asia Mater. 6, e147 (2014) ,、New J. Phys. 17, 015004 (2015),、Phys. Rev. Lett. 116, 066801 (2016) ]，其中β-Bi4Br4,、β-Bi4I4體材料還被預(yù)測(cè)為弱拓?fù)浣^緣體,。在此基礎(chǔ)上，東京大學(xué)Takeshi Kondo和東京工業(yè)大學(xué)T. Sasagawa教授團(tuán)隊(duì)等利用ARPES測(cè)量Bi4I4的拓?fù)浔砻鎽B(tài),，很快從實(shí)驗(yàn)上觀察到了β-Bi4I4中存在弱拓?fù)浣^緣態(tài)[ Ryo Noguchi et al. Nature 566, 518 (2019) ],；值得一提的是，β-Bi4I4是首個(gè)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的弱拓?fù)浣^緣體,。此外,，南京大學(xué)萬(wàn)賢綱教授團(tuán)隊(duì)等發(fā)現(xiàn)α-Bi4Br4還是受C2旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性保護(hù)的大帶隙拓?fù)渚w絕緣體[ Feng Tang et al. Nature Phys. 15, 470 (2019) ]。這些研究工作表明,，BiX體系呈現(xiàn)出許多奇異的電子物態(tài)，并引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
圖1 （A）α-Bi4Br4和（B）β-Bi4Br4的準(zhǔn)一維晶體結(jié)構(gòu),；（C）α-Bi4Br4單晶的XRD衍射圖,。
圖2 （A）α-Bi4Br4單晶在不同壓力下的電阻-溫度依賴關(guān)系；（B）常壓下α-Bi4Br4單晶的對(duì)數(shù)電阻隨溫度倒數(shù)的變化關(guān)系,。
圖3 不同壓力和磁場(chǎng)下Bi4Br4單晶的電阻,、交流磁化率、上臨界場(chǎng)以及溫度-壓力相圖
圖4 不同壓力下 Bi4Br4單晶的結(jié)構(gòu)
圖5 常壓和高壓下Bi4Br4的電子能帶結(jié)構(gòu)
在前期工作基礎(chǔ)上,，姚裕貴/李翔研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在國(guó)際先進(jìn)的極端高壓測(cè)量系統(tǒng)上開展實(shí)驗(yàn)研究工作,，對(duì)Bi4Br4單晶的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更加全面系統(tǒng)的研究。如圖1A所示,，Bi4Br4在常壓下的穩(wěn)定相是α-Bi4Br4,，具有各向異性的準(zhǔn)一維鏈結(jié)構(gòu)（空間群C2/m），其鏈內(nèi)化學(xué)鍵較強(qiáng),，而鏈間范德華力較弱,。因此壓力可以在不引入化學(xué)摻雜復(fù)雜性的情況下，顯著改變?chǔ)?Bi4Br4原子間的排列方式和電子結(jié)構(gòu),，從而引發(fā)多種常壓下難以觀察到的新奇物態(tài),。例如，理論預(yù)測(cè)具有相同C2/m對(duì)稱性的另一種準(zhǔn)一維β-Bi4Br4相（圖1B）,，將在壓力下實(shí)現(xiàn)弱拓?fù)浣^緣體（WTI）-復(fù)合外爾半金屬（Weyl Semimetal）-強(qiáng)拓?fù)浣^緣體（STI）的轉(zhuǎn)變,。此外，另一個(gè)有趣的問(wèn)題是：能否可以在高壓下實(shí)現(xiàn)Bi4Br4的超導(dǎo)電性,，同時(shí)保持它的拓?fù)鋺B(tài)不變,？為了從實(shí)驗(yàn)上解答這些問(wèn)題，他們首先生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的α-Bi4Br4單晶,，并在0-45 GPa的準(zhǔn)靜水壓范圍內(nèi)詳細(xì)測(cè)量了其電阻隨溫度和磁場(chǎng)的依賴關(guān)系,。如圖2所示，他們?cè)?.0-3.8 GPa之間觀測(cè)到壓力引起的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變,；理論計(jì)算表明,，這是由于價(jià)帶和導(dǎo)帶穿過(guò)費(fèi)米能級(jí)，形成許多小的空穴和電子口袋造成的,。有意思的是,，隨著壓力的進(jìn)一步增加，他們相繼觀察到兩個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變（如圖3所示）,。其中第一個(gè)出現(xiàn)在3.8 GPa,，電阻在6.8 K附近急劇下降至0，該轉(zhuǎn)變溫度隨著磁場(chǎng)的增大而降低,，并且高壓磁化率顯示出明顯的抗磁信號(hào),。這些結(jié)果說(shuō)明這是一個(gè)體相超導(dǎo)轉(zhuǎn)變,。繼續(xù)增加壓力，第一個(gè)超導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低,，直至12 GPa以上完全消失,；另一方面，在5.5 GPa,、9.0 K附近出現(xiàn)第二個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變,，其轉(zhuǎn)變溫度隨著壓力的增大而逐漸降低，但在45 GPa時(shí)仍然存在,。為了闡明這些物性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系,，他們利用X射線衍射（XRD）分別測(cè)量了Bi4Br4單晶和多晶在高壓下的結(jié)構(gòu)（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)在4.3 GPa時(shí)Bi4Br4保持單斜的α相結(jié)構(gòu),，而在7.8 GPa時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿钡腜-1相,。基于這些結(jié)果,，他們又計(jì)算了α-Bi4Br4在壓力下的能帶結(jié)構(gòu)（圖5）,，從中可以看出其拓?fù)湫栽?.3 GPa時(shí)仍然受到C2旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的保護(hù)，表明第一個(gè)超導(dǎo)相可能與受旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)湫怨泊?；而第二個(gè)超導(dǎo)相的出現(xiàn)則與7.8 GPa發(fā)生的結(jié)構(gòu)相變有關(guān),。上述結(jié)果對(duì)全面理解壓力調(diào)控拓?fù)洳牧系木w結(jié)構(gòu)和電子特性具有重要意義。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委,、科技部,、中國(guó)科學(xué)院和北京理工大學(xué)的支持。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝中科院物理所靳常青研究員,、程金光研究員,、北京大學(xué)鄒如強(qiáng)教授、燕山大學(xué)蓋彥峰副教授等人的有力支持和配合,。
[1] Xiang Li, Dongyun Chen, Meiling Jin, Dashuai Ma, Yanfeng Ge, Jianping Sun, Wenhan Guo, Hao Sun, Junfeng Han, Wende Xiao, Junxi Duan, Qinsheng Wang, Cheng-Cheng Liu, Ruqiang Zou, Jinguang Cheng, Changqing Jin, Jianshi Zhou, John B. Goodenough, Jinlong Zhu, and Yugui Yao; “Pressure-induced phase transitions and superconductivity in a quasi–1-dimensional topological crystalline insulator α-Bi4Br4”, PNAS, 1909276116 (2019).
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