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中国科学院物理研究所 SC4组供稿 第31期 2015年08月10日
北京凝聚态物理国家实验室
大磁阻化合物二碲化钨中压力诱导的超导电性
  二碲化钨(WTe2)是具有层状结构的过渡族金属硫族化合物,在其正交晶胞中钨链沿着碲层的a轴方向呈一维分布,是一种非磁性的半金属材料。WTe2以其良好的热电性能早已为人们所认知,普林斯顿大学的Cava教授研究组在2014年意外的发现WTe2在常压下具有不饱和的大磁阻(LMR)特性[ Nature, 514 (2014) 205], 即在磁场下这种材料表现出异常大的正电阻效应,而且在非常高的磁场下也不饱和。这种特性不仅为其在电子器件方面的应用提供了潜在的可能,同时也为大磁阻材料的研究开辟了新的方向。在半金属中,非常高的磁阻是由于空穴-电子间的“共振”所产生的,而WTe2是第一种人们发现的具有这种完美共振的材料。
  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室SC4组孙力玲研究员和博士生康德芬、周亚洲等与物理所石有国副研究员、清华大学张广明教授合作,对WTe2的高压行为进行了系统、深入的研究,发现在压力的作用下LMR现象得到了连续的抑制,最终在约10.5 GPa压力下消失,同时呈现出超导电性。在13 GPa压力下出现最高超导转变温度(Tc = 6.5 K),在更高的压力下Tc连续下降,在24 GPa时,Tc = 2.6K。高压原位霍尔测量表明,在LMR完全被抑制和出现超导电性的临界压力下,霍尔系数由正值变为负值,揭示出在该临界压力下发生了具有费米面重构的量子相变,这类相变通常可以用Lifshitz相变来描述。高压同步辐射XRD实验结果证实WTe2在20.1GPa压力以下没有出现结构相变, 但在临界压力下c轴被压缩了6.5%,其压缩比例是a轴压缩率的10倍,是b轴压缩率的两倍,说明在该临界压力点处费米面的重构伴有强烈各向异性的晶格缩减。
  超导电性常常与电子有序态密切相关,其关联性一直是超导领域的重点研究课题之一。本研究首次在近邻LMR态中发现了压致超导现象,丰富了人们对超导态与其它量子态关联性的研究内容,该研究结果发表在Nature Communications, 6 (2015) 7804上。
  本研究得到了国家自然科学基金委、973 和中科院B类先导项目的支持。
  http://www.nature.com/ncomms/2015/150723/ncomms8804/pdf/ncomms8804.pdf
Fig.1 WTe2样品高压同步辐射XRD实验结果。(a)不同压力下X射线衍射谱。在所研究的压力范围内, 没有发现压致结构相变。(b)-(c) 压力与样品晶格常数的关系。 (d) 压力与样品体积的关系。
Fig.2 不同压力下WTe2样品的电阻和交流磁化率测量结果。(a) 0.3 GPa-13 GPa压力范围内零磁场下的电阻-温度曲线。插图为低温电阻的放大图,其中,电阻最小处的温度(如箭头所示)定义为特征温度 (T*ZF), 在此温度以下, 样品表现出大的正磁阻效应。(b) 压力为13 GPa-24 GPa范围内的电阻对温度的依赖关系。插图为高压下样品显示的零电阻行为。 (c)不同压力下样品的交流磁化率对温度的依赖关系, 表明在15 GPa和18.3 GPa压力下样品的抗磁性,其超导转变温度如箭头所示。
Fig.3 不同磁场条件下的电阻 (R)与温度(T)的关系。 (a)-(b) 0.3 GPa和2.4 GPa压力下测得的R-T曲线,表明WTe2的正磁阻效应被压力明显地抑制。(c) 11 GPa压力下测得的R-T曲线,插图表明大的正磁阻效应已被彻底抑制,同时,呈现出超导转变, 超导临界转变温度(零电阻)为3.2 K。(d) 13 GPa压力下测得的R-T曲线, 插图为低温部分的放大电阻对温度的依赖关系, 表明在此压力下磁场的增加对超导电性的破坏。
Fig.4 WTe2压致超导相上临界场的确定。(a)-(c) 固定压力和不同磁场条件下样品的 R-T曲线。 (d)上临界磁场对温度的依赖关系,点划线为Ginzburg-Landau拟合。
Fig.5 WTe2样品的压力-温度相图和其霍尔系数对压力的依赖关系。(a) 大磁阻效应起始温度T*ZF 和超导转变起始温度Tc对压力的依赖关系。红色、粉色和蓝色的圆点分别表示由不同轮电阻测量实验中获得的Tc。绿色三角表示为由交流磁化率测量得到的Tc。 LMR和SC分别表示大磁阻态和超导态。(b)在10 K和1特斯拉磁场条件下霍尔系数对压力的依赖关系,表明样品在10.5 GPa的临界压力下霍尔系数从正值转变为负值。图中紫色圆点和粉色方块为不同轮实验得到的数据。插图为对霍尔系数对压力的二次导数,可见在临界压力处霍尔系数的二次导数为最大。

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