三维拓扑化合物研究取得新进展

图1 A：Bi₂Te₃单晶的电导随温度的变化，在3.2GPa以上呈现超导转变，超导转变温度～3K。插图给出了超导转变温度处电阻随温度变化的微分，呈现峰值变化，由此定义了超导起始(Tconset)、中间(Tcmid)、和零电阻(Tczero)温度。 B:放大的低温超导转变部分，在低压区间超导转变温度(3K)几乎不随压力变化，而在高压出现高于8K的超导转变。我们的高压结构实验表明，低压区间样品依然保持常压相构型，而在高压区间则产生晶体结构相变形成新相，本文研究集中在具有常压相的低压区间。

图2 A：Bi₂Te₃单晶在6.1GPa压力的超导转变温度随外加磁场的变化， Tc随场向低温移动（如插图），磁场和C轴平行。 B：Hall系数测量表明样品的载流子为p型，浓度约为10¹⁸/cm³量级，在低压区载流子随加压浓度略有增加。

图3：基于第一性原理计算的Bi₂Te₃常压相在不同压力（常压和4GPa）的电子结构（左）和表面态（右）的演化，根据实验测定的载流子浓度对化学势进行了相应移动进入价带顶部，插图为相应的Fermi面结构。自然界中物质按照导电性可分为金属、绝缘体、半导体等。拓扑绝缘体指一类新的物质状态，它的体态为绝缘体而表（界）面态为金属。这种表（界）面金属态受时间反演不变的拓扑性质保护，为材料内禀特性而和具体结构无关，所以拓扑绝缘体的表面金属态对（磁）杂质、形变等扰动非常稳定。作为一种新的物质状态，拓扑化合物在近几年得到越来越多物理学家的重视。理论预言了拓扑材料许多奇异物性，其中拓扑超导电性尤其引人注目。与拓扑绝缘体类似，这类超导体块材具有配对能隙，但在表面上可能存在一类新的准粒子Majorana费米子（相当于Dirac费米子的“一半”，它的反粒子即它本身）。和通常的玻色、费米子不同，Majorana 费米子具有非阿贝尔属性，即对称操作的结果与操作顺序有关，为设计新概念的拓扑量子计算机提供了重要途径。拓扑绝缘体的研究已取得重大进展，中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的研究人员已做出若干杰出贡献（参看研究进展2010年16期、 19期、20期、 24期、 2011年3期：请链接以上简报）,但拓扑超导电性的观察仍是一个巨大挑战。最近，中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）极端条件实验室靳常青研究组和理论室方忠研究组密切合作，运用基于金刚石压砧的高压低温综合实验技术，在三维拓扑化合物Bi₂Te₃中成功地观察到压力诱导的超导转变。他们生长了高质量的P型Bi₂Te₃单晶，在3～6GPa 压力范围发现了Tc≈3K的超导转变。进一步研究表明，这种转变（电阻陡降）的温度随外加磁场向低温端移动，表明转变的超导属性。结构实验表明在上述压力区间Bi₂Te₃依然保持常压相构型，基于实验测量的结构数据，第一性原理计算证实母体相依然具有拓扑

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