物質學院齊彥鵬課題組與合作者在拓撲半金屬ZrTe2中發現壓力誘導的超導電性與拓撲相變

ON2024-02-22CATEGORY科研進展

近期,上??萍即髮W物質科學與技術學院拓撲物理實驗室齊彥鵬課題組聯合北京理工大學王秩偉團隊在拓撲半金屬ZrTe2中發現壓力誘導的超導電性及拓撲轉變,成果發表于國際學術期刊《先進科學》(Advanced Science)。

二維過渡金屬硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)是繼石墨烯之后的新型范德瓦耳斯材料,其天然的二維特性以及強自旋軌道耦合作用(spin-orbital coupling, SOC)帶來了諸如金屬-絕緣體轉變、電荷密度波(charge density wave, CDW)、能谷電子學特性、非常規超導電性等新穎物理性質,使這類材料成為研究低維量子物理和新一代電子器件的又一理想平臺。ZrTe2是一種典型的過渡金屬二硫族化合物,近期研究表明其在常壓下具有非平庸的拓撲性質,通過Cu、Ni等元素插層也可以在ZrTe2中引入超導電性。這些特點使得ZrTe2成為實現拓撲超導的候選材料之一。


1| ZrTe2壓力下的輸運測試。

 

高壓處理可在不引入無序的條件下改變材料的晶體結構、電子結構,是實現材料量子調控的有效手段。相比于常壓物性,高壓下ZrTe2的性質還鮮有研究報導。本工作結合金剛石對頂砧的原位物性測量與第一性原理計算,對高壓下拓撲半金屬ZrTe2的晶體結構與電子結構進行了深入研究。

高壓同步輻射X射線衍射實驗表明,與其他過渡金屬硫族化合物不同,ZrTe2的常壓六方結構可穩定維持到49 GPa。高壓原位輸運測量發現ZrTe28 GPa左右出現超導相變,同時伴隨載流子類型的轉變。第一性原理計算證實,高壓下ZrTe2的層間Te原子成鍵,提升了Te原子p電子在費米面上態密度的貢獻;與此同時,高壓下費米面形狀發生轉變,即出現壓力誘導的Lifshitz相變,這與載流子類型改變相吻合。此外,第一性原理計算還顯示ZrTe2在高壓下能保持拓撲奇異性,并發生壓力誘導的拓撲轉變。這一結果表明壓力可以有效調節ZrTe2的電子性質,ZrTe2在高壓力下表現出的豐富物性為研究拓撲能帶與超導電性的相關性提供了一個理想的平臺。

上??萍即髮W物質學院齊彥鵬課題組博士研究生朱世豪、博士后吳玨霏及北京理工大學王秩偉課題組博士研究生朱鵬為該論文的共同第一作者,齊彥鵬教授和王秩偉教授為共同通訊作者,上??萍即髮W為第一完成單位。


2| ZrTe2的費米面及壓力-溫度相圖。

 

文章標題:Pressure-Induced Superconductivity and Topological Quantum Phase Transitions in the Topological Semimetal ZrTe2

文章鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202301332