物理所拓扑化合物研究取得新进展-中国科学院 2014年4月14日星期一 English|繁体|Rss|网站地图|收藏|邮箱|联系我们 ③中周緝院 希望中国科等院不画出创新应果、出创新人刁、出创新思翹,率先实现科学技跨趣友展 如mdma3率先建康国家创新人刁高1,率先建成国冢高水平科技智库,率先建设国际一流科研韵 高级 习近平总书记2013年7月17日在中国科学院考察亚作时的讲话 首页新闻机构科研院士人才教育合作交流科学普及出版信息公开专题访谈视频会议党建文化 全您现在的位置:首页>科研>科研进展 物理所拓扑化合物研究取得新进展 最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)靳常青研究组和方忠研究组密切合作,在拓扑化合 物研究中取得新进展。相关工作发表在美国《国家科学院院刊》上【Proc. Nat Acad.Sci.(PNsS (2011);doi:10.1073/pnas.1014085108】 自然界中物质按照导电性可分为金属、绝缘体 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)。与通常的玻色、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。此前,物理所的研究人 员已在拓扑绝缘体的研究方面取得若干重大进展,但拓扑超导电性的观察仍是一个巨大挑战 在本项工作中,靳常青研究组和方忠研究组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≈3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Bi2Ie3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属性。即在呈现超导转变的压力区间,Bi2Te3的表面态依然具有 Dirac锥的特征,所以形成体 材料超导的p型载流子费米面与r-点附近的 Dirac表面态相对独立。 在Bi2Ie3中观察到的超导属性的可能物理图像为:通过适当摻杂(载流子浓度1018/cm3),首先在体内产生超 导。进一步,通过近邻( proximity)效应,体态超导将表面态诱变为超导态。而具有 Dirac锥的表面态的超导应为拓 扑超导态,超导波函数可能具有P+ipy对称。他们和斯坦福大学张首晟教授合作,类比He3的 Balian Werthamer相,进一步探讨了在Bi2Te3实现具有自旋三重态的体态拓扑超导的可能 本工作得到科技部重大科学研究计划、基金委重大国际合作和重大研究计划的资助。 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtrml[20 416:1209
物理所拓扑化合物研究取得新进展----中国科学院 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtml[2014-4-14 16:12:09] 2014年4月14日 星期一 English | 繁体 | RSS | 网站地图 | 收藏 | 邮箱 | 联系我们 首页 新闻 机构 科研 院士 人才 教育 合作交流 科学普及 出版 信息公开 专题 访谈 视频 会议 党建 文化 您现在的位置： 首页 > 科研 > 科研进展 物理所拓扑化合物研究取得新进展 文章来源：物理研究所 发布时间：2011-02-28 【字号： 小 中 大 】 最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）靳常青研究组和方忠研究组密切合作，在拓扑化合 物研究中取得新进展。相关工作发表在美国《国家科学院院刊》上【Proc. Natl Acad. Sci. (PNAS) 108, 24 (2011);doi: 10.1073/pnas.1014085108】。 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）。与通常的玻色、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。此前，物理所的研究人 员已在拓扑绝缘体的研究方面取得若干重大进展，但拓扑超导电性的观察仍是一个巨大挑战。 在本项工作中，靳常青研究组和方忠研究组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属性。即在呈现超导转变的压力区间，Bi2Te3的表面态依然具有Dirac锥的特征，所以形成体 材料超导的p-型载流子费米面与Γ-点附近的Dirac表面态相对独立。 在Bi2Te3中观察到的超导属性的可能物理图像为：通过适当摻杂（载流子浓度1018/cm3），首先在体内产生超 导。进一步，通过近邻(proximity)效应，体态超导将表面态诱变为超导态。而具有Dirac锥的表面态的超导应为拓 扑超导态，超导波函数可能具有Px+ipy对称。他们和斯坦福大学张首晟教授合作，类比He3的Balian- Werthamer相，进一步探讨了在Bi2Te3实现具有自旋三重态的体态拓扑超导的可能。 本工作得到科技部重大科学研究计划、基金委重大国际合作和重大研究计划的资助
物理所拓扑化合物研究取得新进展-中国科学院 1.8 1.7GPa 1.8 3.2G Pa 15 4.3GPa 5.0GPa 1.2 0.0 8. 9GPaF09 306090120 50180 T(K) 0.6 3.2GPa 0.06 6. 8GPa 4. 3GPa ▲▲△▲▲▲ 0.0 0.00 T(K 图1A: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( Timid)、和零电 阻( Tozer)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 于瓯的超导转变。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 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtrml[20 416:1209
物理所拓扑化合物研究取得新进展----中国科学院 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtml[2014-4-14 16:12:09] 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
物理所拓扑化合物研究取得新进展-中国科学院 A 0.14T 0 182022242.62.83.03.23.43.63.8 T(K) 0.2 0.1 2K 0.0 BT 图2A:Bi2Ie3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:Ha1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 B D 图3:基于第一性原理计算的Bi2e3常压相在不同压力(常压和AGPa)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。 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtrml[20 416:1209
物理所拓扑化合物研究取得新进展----中国科学院 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtml[2014-4-14 16:12:09] 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
物理所拓扑化合物研究取得新进展-中国科学院 附件 Pressure-induced superconductivity in topological par mpound Bi2Te3 pnas. 1014085108 SL pdf 打印本页关闭本页 1996-2014中国科学院版权所有京ICP备05002857号京公网安备110402500017号@可信网站身份验证联系我们 地址:北京市三里河路52号邮编:100864 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtrml[20 416:1209
物理所拓扑化合物研究取得新进展----中国科学院 http://www.cas.cn/ky/kyjz/201102/t20110228_3076708.shtml[2014-4-14 16:12:09] Pressure-induced superconductivity in topological parent compound Bi2Te3 pnas.1014085108 SI.pdf 打印本页 关闭本页 © 1996 - 2014 中国科学院 版权所有 京ICP备05002857号 京公网安备110402500047号 联系我们 地址：北京市三里河路52号 邮编：100864
