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科研进展|物质学院郭艳峰课题组在金属磷化合物拓扑超导探索方向取得研究进展

时间:2020-11-08浏览:10设置

近日,我校物质学院郭艳峰课题组在利用大腔体压机制备金属磷化物超导材料研究中取得重要进展。郭艳峰课题组利用高压制备手段亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,克服了常压高温制备遇到的磷蒸汽压高的困难,成功制备了超导富磷化合物Nb2P5单晶亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。该成果展示了高温高压技术对设计亚博网APP手机版_登录网页、制备超导新材料的独特优势亚博网APP手机版_登录网页。该研究成果于10月27日以High-Pressure Crystal Growth, Superconducting Properties, and Electronic Band Structure of Nb2P5为题亚博网APP手机版_登录网页,在美国化学会权威杂志Chemistry of Materials在线发表。 

拓扑超导是近年来凝聚态物理领域的研究热点亚博网APP手机版_登录网页,其边界上有满足非阿贝尔统计的马约拉纳零能模亚博网APP手机版_登录网页,若能对它进行操控则有望实现可容错的拓扑量子计算亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。在具有非平庸拓扑态的超导材料中亚博网APP手机版_登录网页,拓扑和超导的相互作用有可能实现自旋-动量锁定的表面态,形成容纳马约拉纳零能模的固体环境,因此该类材料被认为是拓扑超导候选材料亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。在拓扑材料中诱导超导电性或在超导材料种探索非平庸拓扑能带结构是目前发现该类材料的两条有效途径。

单质磷元素具有丰富的同素异形体亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,如白磷(或称黄磷)、红磷亚博网APP手机版_登录网页、黑磷亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页、紫磷等亚博网APP手机版_登录网页。磷元素是一种非?;钇玫幕г?,可以与许多金属元素(metal亚博网APP手机版_登录网页,以下简写为M)形成化合物亚博网APP手机版_登录网页,涵盖了从富金属区的M3P到富磷区的MP4亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。磷和硫等元素在高温下具有很高的蒸气压亚博网APP手机版_登录网页,在常压高温下用密封石英管的方法生长单晶时处理不当容易爆管的现象亚博网APP手机版_登录网页。大腔体压机具有物理机械加压、氧化镁八面体包裹以及叶腊石密封的特点及优势亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,可以为样品提供一个密封而且保温效果较好的样品腔。物质学院购置的2000吨Kawai型大腔体压机(命名为SHTech-2000亚博网APP手机版_登录网页,见图1)可以充分解决样品合成中元素蒸气压高的难题??悸堑浇鹗舾涣资簦?、砷等)化合物具有变化多样的晶体多型性和丰富的物理化学性质,利用高温高压手段探索富磷化合物拓扑超导是一个有意义的尝试。

其中一个探索点是对富磷的补偿型半金属进行结构的调制亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。补偿半金属具有极大的正磁阻效应亚博网APP手机版_登录网页,同时电子能带结构具有弱拓扑绝缘体特征亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,在磁场下由于塞曼劈裂会导致外尔态亚博网APP手机版_登录网页。郭艳峰课题组利用高压制备手段,在补偿半金属NbP2中的Nb2P4菱形三棱柱中沿着b轴(图2)嵌入了一条无限长的P链亚博网APP手机版_登录网页,成功制备了富磷化合物Nb2P5单晶亚博网APP手机版_登录网页。样品的低温电阻亚博网APP手机版_登录网页、磁化强度亚博网APP手机版_登录网页、比热等测试结果表明Nb2P5的超导转变温度为2.6 K为第II类超导亚博网APP手机版_登录网页,其超导能隙具有s波对称性亚博网APP手机版_登录网页。该结果表明插入磷链成功在补偿型半金属NbP2中诱导了超导电性亚博网APP手机版_登录网页。此外亚博网APP手机版_登录网页,第一性原理计算表明,超导的Nb2P5中由于能带翻转可能形成了非平庸拓扑节线结构,有望作为拓扑超导候选材料亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。这项工作展现了大腔体压机探索新超导材料的潜力亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。

郭艳峰课题组博士研究生刘晓磊和助理研究员于振海为该论文共同第一作者亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,于振海亚博网APP手机版_登录网页、绍兴文理学院梁奇峰教授与郭艳峰教授为共同通讯作者,上科大为第一完成单位。

图1 上貉遣┩鳤PP手机版_登录网页?萍即笱?000吨Kawai型大腔体压机亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。

图2 Nb2P5结构与超导电性。

以上研究得到了上??萍即笱舳?亚博网APP手机版_登录网页、国家自然科学基金面上项目亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页、上海市自然科学基金探索类项目、上海市浦江人才计划亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页、复旦大学应用表面物理国家重点实验室开放基金的支持亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。


论文链接:
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c01807


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