物理所壓力誘導的強自旋軌道耦合化合物超導研究獲進展

2020-11-27 中國科學院

　　自旋軌道耦合(SOC)可在量子功能材料引發重要物理現象，如理論成功預言了由強自旋軌道耦合能帶翻轉形成的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3類拓撲序化合物，引發了國際上對拓撲序量子化合物的理論和實驗研究熱潮。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）靳常青研究員領導的高壓新材料和物理研究組與理論預言了以上拓撲序化合物的方忠戴希研究組密切合作，開展了拓撲序化合物壓力效應的系統研究，發現了壓力誘導的Bi2Te3拓撲化合物超導現象 【Proc. Natl Acad. Sci. (PNAS) 108, 24 (2011)】。表明壓力可以成為調控拓撲化合物和SOC量子序的重要手段，和化學摻雜相比，有效避免引入無序。接著，他們發現了壓力誘導的Sb2Te3拓撲序化合物超導現象【Scientific Reports 3: 2016(2013)】。

　　近期，靳常青研究員指導的博士研究生孔盼盼等進一步開展了強自旋軌道耦合化合物Sb2Se3的壓力效應研究，發現了壓力誘導的Sb2Se3超導現象。他們實驗結果表明，Sb2Se3在2～3 GPa呈現從絕緣體向類金屬轉變，這個轉變與理論預測的基於SOC的拓撲量子相變有關。在10 GPa 左右Sb2Se3進入超導態，超導轉變溫度（TC）隨壓力和載流子濃度增加上升，高壓結構實驗表明Sb2Se3在30 GPa依然保持常壓相晶體結構。高壓Raman顯示Sb2Se3在2.3 GPa、10 GPa和20 GPa相繼發生Sb～Se配位體的顯著變化，說明Sb2Se3從絕緣～金屬～超導連續轉變與局域結構變化密切相關。以上研究結果發表在近期Scientific Reports上【Scientific Reports 4: 6679 (2014)】。該工作得到科技部、基金委和中科院研究項目的資助。

　　相關參考文獻：

　　1、 J. L. Zhang, S. J. Zhang, H. M. Weng, W. Zhang, L. X. Yang, Q. Q. Liu, S. M. Feng, X. C. Wang, R. C. Yu, L. Z. Cao, L. Wang, W. G. Yang, H. Z. Liu, W. Y. Zhao, S. C. Zhang, X. Dai, Z. Fang, C. Q. Jin, Pressure-induced superconductivity in topological parent compound Bi2Te3, Proc. Natl Acad. Sci. (PNAS) 108, 24 (2010).

　　2、J. Zhu, J. L. Zhang, P. P. Kong, S. J. Zhang, X. H. Yu, J. L. Zhu, Q. Q. Liu, X. Li, R. C. Yu, R. Ahuja,W.G. Yang,G. Y. Shen, H. K.Mao, H.M. Weng, X. Dai1, Z. Fang, Y. S. Zhao, C.Q. Jin, Superconductivity in Topological Insulator Sb2Te3 Induced by Pressure, Scientific Reports 3 : 2016(2013).

　　3、P. P. Kong, F. Sun, L.Y. Xing, J. Zhu, S. J. Zhang, W. M. Li, Q. Q. Liu, X. C. Wang, S. M. Feng, X. H. Yu, J. L. Zhu, R. C. Yu, W. G. Yang, G. Y. Shen, Y. S. Zhao, R. Ahuja, H. K. Mao, and C. Q. Jin, Superconductivity in Strong Spin Orbital Coupling Compound Sb2Se3, Scientific Reports 4: 6679 (2014).

 

　　圖1 Sb2Se3單晶的電學性質（a）壓力低於8.1 GPa時的a-b面電阻溫度曲線；（b）不同壓力條件電阻隨溫度演化，10GPa呈現誘導超導轉變，TC約為 2.3 K；（c）電阻在不同外加磁場隨溫度變化，插圖為TC隨磁場變化。

 

圖2 Sb2Se3（a）電阻；（b）超導轉變溫度；（c）載流子濃度隨壓力變化。

圖3 Sb2Se3（a）TC；（b）配位體鍵角；（c）Raman 振動模式隨壓力演化。

相關焦點

  • 中科院半導體所在隱藏自旋軌道耦合研究中取得進展
    在國家自然科學基金（項目編號:61888102）等資助下，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室駱軍委研究組與科羅拉多大學Alex Zunger教授、南方科技大學劉奇航教授、深圳大學張秀文教授合作在隱藏自旋軌道耦合研究中取得重要進展
  • 合肥研究院等在4d關聯電子體系中的自旋-軌道耦合效應研究中取得進展
    -軌道耦合研究方面取得新進展。　　由於強的自旋-軌道耦合，4d、5d電子體系展現出與3d電子體系迥異的物理現象，如自旋-軌道誘導的金屬-絕緣體轉變、強磁各向異性導致的自旋液體行為、磁希格斯模激發及潛在的本徵拓撲超導等。
  • 自旋-軌道耦合體系研究取得進展
    中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陳帥、鄧友金等在超冷原子量子模擬領域取得新進展。
  • 中國科大在自旋軌道耦合莫特絕緣體研究中取得新進展
    中國科大何俊峰研究組與國內外同行合作，對自旋軌道耦合莫特絕緣體展開研究，取得重要進展：團隊使用高分辨角分辨光電子能譜，首次在電子摻雜自旋軌道耦合莫特絕緣體（Sr2IrO例如：贗能隙與d波超導密切相關（不管是作為可能的競爭者還是屬於一種預配對）；電子-玻色子耦合則可能為超導提供配對所需的「膠水」；而最近的實驗證明電子-
  • 物理所等證實具有強自旋-軌道耦合的鈣鈦礦銥氧化物體系中
    最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）極端條件物理實驗室EX6組研究員程金光在前期研究工作的基礎上，指導研究生崔琦、蔡雲麒和焦媛媛等，利用高壓高溫合成了一系列Sn摻雜的SrIrO3鈣鈦礦，通過與美國和日本多個實驗和理論課題組合作，並利用美國橡樹嶺國家實驗室的變溫中子粉末衍射和阿貢國家實驗室的同步輻射光源等大科學裝置，證實在具有強自旋-軌道耦合的
  • 在強自旋-軌道耦合材料研究中取得進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員張昌錦課題組在5d強自旋-軌道耦合材料Sr2IrO4的研究中取得進展。
  • 量子模擬—人工合成自旋-軌道耦合體系研究取得重要進展
    量子模擬—人工合成自旋-軌道耦合體系研究取得重要進展 中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陳帥、鄧友金等在超冷原子量子模擬領域取得重要進展。
  • 中國率先實現超冷原子二維人工自旋軌道耦合
    ­　　中國科學技術大學潘建偉研究小組和北京大學劉雄軍研究小組11日在北京宣布，雙方合作在超冷原子量子模擬領域取得重大突破：在國際上首次理論提出、並在實驗中實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。相關論文在最新一期《科學》雜誌上發表。­　　自旋軌道耦合是量子物理學中基本的物理效應。
  • 進展| 過渡金屬硫化物中伊辛超導電性研究取得新進展
    二維層狀過渡金屬硫化物MX2（M代表Mo，Nb，W；X代表S，Se，Te）中的強自旋－軌道耦合作用與結構的多樣性賦予這類材料許多新奇的物理性質，如在少數層1Td相的WTe2中觀測到量子自旋霍爾效應，在少數層2H相的MoS2與NbSe2中觀測到伊辛超導電性等。這些發現使得MX2材料成為當前凝聚態物理學和材料科學研究的一個熱點。
  • 【十大進展】光學石墨烯中的光子自旋軌道耦合效應
    西安交通大學電信學部電子學院科研團隊在原子蒸汽中構造了晶格勢場實時可調的光學石墨烯結構，並利用在此結構中激發贗自旋獲得渦旋光這一拓撲現象，對系統中極其微弱的光子自旋軌道耦合效應實現了顯著觀測和全光調控。科研人員通過實驗明確了光子自旋軌道耦合對光學石墨烯中的拓撲效應產生的影響，闡明了拓撲系統可以成為「放大」某些微弱效應的物理基礎。
  • 拓撲半金屬WC表面沉積金屬薄膜誘導的界面超導研究獲進展
    長期以來，拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注。然而，本徵的拓撲超導材料非常罕見。近年來，理論和實驗研究表明：除本徵的拓撲超導材料之外，利用拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。
  • 進展|拓撲半金屬WC表面沉積金屬薄膜誘導的界面超導
    長期以來，拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注。然而，本徵的拓撲超導材料非常罕見。近年來，理論和實驗研究表明：除本徵的拓撲超導材料之外，利用拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。多數研究組採用摻雜、高壓或通過近鄰效應等在拓撲絕緣體和拓撲半金屬中誘導出可能的拓撲超導。
  • 中科大超導研究團隊在鐵基高溫超導體研究中取得重要進展
    中科大超導研究團隊在鐵基高溫超導體研究中取得重要進展 我校合肥微尺度物質科學國家研究中心和物理系中科院強耦合量子材料物理實驗室陳仙輝、吳濤等人組成的超導研究團隊近日在鐵基高溫超導體研究中取得重要進展
  • 壓力誘導的聲子瓶頸效應研究獲進展
    超快光譜方法因其特有的極高時間解析度、Fermi面以上電子激發態探測、全波長寬譜能量範圍的相互作用、相干態和集體激發態的產生和探測、表面界面對稱破缺的探測等優勢在凝聚態物理特別是關聯量子材料的研究中有重要的應用，人們利用該方法已在高溫超導機理、複雜相變、多自由度耦合、雷射相干調控、誘導新奇量子態等方面取得了很多重要研究成果；然而迄今超快光譜主要用於研究常壓下的凝聚態物性。
  • 負自旋軌道耦合是什麼鬼?
    編者按：本文介紹自旋軌道耦合(SOC）符號變化引起的拓撲相變：拓撲絕緣體，拓撲半金屬（包括Dirac半金屬和Weyl半金屬）。
  • 物理系《科學》發文 揭示拓撲誘導的磁性量子相變
    物理系《科學》發文 揭示拓撲誘導的磁性量子相變為可能的器件應用提供了一個理想的平臺        清華新聞網3月29日電 清華大學物理系的研究人員與合作者在拓撲絕緣體的研究中取得重要進展，發現了磁性摻雜拓撲絕緣體中由能帶拓撲量子相變而導致的磁性量子相變
  • 極端光學團隊在強雷射光子的自旋軌道相互作用研究中取得新進展
    」劉運全教授和龔旗煌院士等結合高分辨光電子成像技術，對光場調控對強雷射場中光子自旋軌道相互作用進行了開創性研究。光子的自旋-軌道相互作用，在光與物質相互作用的研究以及應用中具有舉足輕重的意義。光子的自旋-軌道相互作用可以分為自旋-軌道轉換和軌道-自旋轉換。光子的自旋-軌道轉換在近十年來得到廣泛的研究，然而它的逆過程——軌道-自旋轉換至今仍未在實驗中得到很好的觀測和調控。
  • 物理所等在磁性外爾半金屬中提出「自旋軌道極化子」概念
    磁性量子材料的缺陷工程及其局域量子態自旋的調控，有望用於構築未來實用化的自旋量子器件，是目前凝聚態物理研究的熱點領域之一。近年來，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物成為揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等豐富物理學性質的新穎材料平臺。
  • 自旋霍爾效應研究新進展
    自旋軌道耦合是影響常見的半導體材料自旋調控和弛豫的重要物理機理， 因此是半導體自旋電子學器件應用必須考慮的關鍵因素。近年來，國際上關於半導體中自旋軌道耦合引致的各種新奇的物理現象進行了研究並取得了許多重要的進展，如本徵自旋Hall效應等。這些研究為在半導體中產生自旋流提供了新的途徑，並為未來的全電操縱的自旋電子學器件提供了物理基礎。
  • 自旋軌道耦合的起源
    自旋軌道耦合在凝聚態物理中幾乎無處不在，原子的精細結構、晶體的SOC能帶分裂等都可以直接觀測的到，很多新的物理現象都與它密不可分