高壓誘導拓撲絕緣體碲化鉍超導性研究取得新進展

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室趙忠賢院士、孫力玲研究員及博士研究生張超等與周興江研究員及博士生陳朝宇合作，利用自主研制的先進的低溫－高壓－磁場綜合測量系統，對拓撲絕緣體Bi2Te3單晶進行了系統的研究。通過高壓原位磁阻和交流磁化率的雙重測量，研究了壓力誘導的拓撲絕緣體至超導體的轉變。并通過高壓實時霍爾測量，首次給出了壓力下超導轉變溫度與載流子濃度和類型的轉變之間的定量關系。相關實驗結果發表在Physical Review B（83， (2011) 140504），并被該期選為Editor's Suggestion和亮點工作。

　　拓撲絕緣體作為一種新奇的量子物質態，其行為完全不同于傳統意義上的“金屬”和“絕緣體”。它的體態表現出絕緣性質，而表面態則表現為金屬特性。在拓撲絕緣體內部的電子能帶結構和常規的絕緣體相似，費米能級位于導帶和價帶之間的能隙當中。在拓撲絕緣體的表面存在特殊的狄拉克能帶結構，而且由于受到時間反演對稱性的保護，這種結構非常穩定。理論研究表明，當把拓撲絕緣體和鐵磁性或超導體組合在一起時，會產生一些新的物理現象，一個重要的研究方向是發現和研究拓撲超導體。

　　物質在壓力這一物理維度下，其晶體結構和電子結構都會發生變化，常常能產生豐富的物理現象。因而，通過對拓撲絕緣體施加物理壓力來研究其結構和物性變化，以及通過壓力手段實現潛在的拓撲超導體是拓撲絕緣體研究的一個令人關注的重要課題。

　　物理所科研人員通過實驗發現，在較寬的壓力范圍內（～22.3GPa），拓撲絕緣體Bi2Te3的物理性質表現出豐富的壓力依賴關系，基本上可以分為4個變化區域。(I).在3.2 GPa之前，樣品保持常壓的晶體結構，但沒表現出超導特性；(II).在3.8－8 GP之間，Bi₂Te₃出現超導（Tc~3K），但仍保持與常壓相同的晶體結構；(III).壓力超過8 GPa，材料發生相變進入HP I相，此時超導溫度隨壓力增加而增加，在13.6GPa時達到最高Tc，約為10K；（IV）.當壓力進一步增加到13.6GPa以上時，樣品進入另一個高壓相HP II, 這時超導溫度隨著壓力的增加而減少。

　　通過對霍耳系數的原位測量，研究人員確定了拓撲絕緣體Bi₂Te₃的超導轉變溫度、霍耳系數與壓力間的關系。在常壓下，拓撲絕緣體Bi₂Te₃的霍爾系數為正，表現為空穴導電。在3.2GPa附近樣品轉變為超導體時，霍爾系數伴隨一個轉折。特別是在8GPa樣品由常壓結構轉變為高壓結構HP I時，霍爾系數出現由正到負的轉變，表明載流子由空穴為主，轉變為以電子為主。這些結果表明，在壓力作用下，Bi₂Te₃的電子結構呈現出相應的變化。

　　值得特別注意的是，在3.8－8GPa之間，Bi₂Te₃保持著常壓下的晶體結構，而且又變為超導體。一個有趣的問題是，這時的Bi₂Te₃是否成為拓撲超導體。這個問題還需要進一步的理論和實驗工作來解決。

　　在超高壓、低溫、磁場等綜合極端條件下進行原位電阻、磁阻、交流化率和霍爾效應等測量是超導體及一些功能材料研究的重要實驗手段之一，為發現新的量子現象、探索超導機理拓展了研究的物理維度。該項工作主要是在該課題組新近自主研制的先進的低溫－高壓－磁場綜合測量系統上完成的。該設備集超高壓（100 GPa）、低溫（1.5K）、強磁場(9T)為一體，通過壓力、磁場和溫度三個物理維度的調控可以對材料進行不同物理環境下的電阻、磁阻、交流磁化率和霍爾系數的原位測量。這一先進的綜合測量系統在該項目研究中得到了成功的運用，其性能優勢得到了體現。這對于以后繼續深入開展極端條件下的新型超導材料和新奇量子態的研究都會發揮作用。這套具有超高壓下原位磁阻測量、霍爾測量和交流磁化率測量功能的綜合測試系統在國際該領域的科研設備中具有自己的特色。

　　本工作得到科技部重大科學研究計劃和基金委面上項目的支持。

圖1 不同壓力下Bi₂Te₃拓撲絕緣體單晶的電阻－溫度曲線。

　　圖2 （a）4.8 GPa的壓力條件下Bi₂Te₃磁阻隨溫度的變化；（b）13.6 GPa的壓力條件下Bi₂Te₃磁阻隨溫度的變化；（c）5.8 GPa的壓力條件下交流磁化率與溫度的關系，在3.2 K 表現出明顯的抗磁性，插圖為鑲嵌在金剛石壓砧內部的樣品交流磁化率信號采集線圈和補償線圈的實物圖片；（c）壓力調制下磁場與溫度的依賴關系。

　　圖3 （a）不同晶體結構中壓力調制的超導轉變溫度；（b）不同晶體結構中霍爾系數隨壓力的變化，在常壓相（AP phase）向高壓相（HP phase）轉變的臨界壓力（～8 GPa），其載流子類型從空穴型轉變成電子型。