《自然·通讯》报道南京大学物理学院团队压力下的超导电性——新型二维材料WTe2研究新进展

  我校物理学院在WTe2样品高压下的电性方面取得新进展。该工作题为《WTe2中压力驱动的拱形超导电性及电子结构演化》(Pressure-driven dome-shaped superconductivity and electronic structural evolution in tungsten ditelluride),发表在7月23日的《自然· 通讯》 (Nature Communications 6,: 7805, 2015, http://www.nature.com/ncomms/2015/150723/ncomms8805/full/ncomms8805.html, doi:10.1038/ncomms8805)上。该工作由我校物理学院和合肥物质科学研究院协同开展,受到了科技部“量子调控”课题和国家自然科学基金项目的支持。潘星辰同学、陈绪亮助理研究员开展了实验工作,刘慧美同学进行了理论工作。宋凤麒教授、杨昭荣研究员和万贤纲教授联合担任本文通讯作者。

图:(上) WTe2压力-超导温度相图(下)理论预测态密度随压力变化及晶体照片

  2014年10月,Nature刊文指出:WTe2拥有在60T磁场下不饱和的极大磁电阻,其物理机制植根于WTe2极为精致的半金属能带结构。早在2014年春天,该研究团队就因WTe2在二维材料中的独特地位开始开展相关工作。团队理论组注意到这一能带结构对晶格常数的极度敏感性,开展计算预言压力可能会诱导这种材料的超导电性。实验课题组合成了高质量的WTe2单晶,系统地开展了高压下低温电输运、磁化率测试工作。团队的紧密合作很快观察到了仅需2.5GPa即可实现的超导转变。该项工作发现,晶体在常压下可以显示巨大的磁电阻,一加高压,磁电阻倍数迅速下降,最早在2.5GPa,就观察到电阻在3.1K处的突然下降。随着压力增大,超导转变温度逐渐上升,并在16.8GPa时达到7K。零电阻和完全抗磁性的出现完美的证实了超导转变。课题组还获得了上临界场的数据。系统的测量给出一个拱型的压力-超导温度相图。无论有无传压介质,实验都可以得到类似的规律。该项工作指出这一拱形相图来自压力下态密度和结构稳定性的竞争。在低压力区域,随着压力增加,WTe2中的态密度迅速增加,从而降低了超导电性实现的难度。当压力继续增加,有可能出现结构的不稳定性,影响超导相的维持。分析认为,该工作较低的超导转变压强与样品质量的恰当调控有关。WTe2为理解过渡族金属硫族化物中的超导电性提供了一个新的平台。

  物理所课题组也观察到了类似的结果。据悉,在人工微结构协同创新中心框架下,该团队和复旦大学还在开展高磁电阻和光电子能谱的工作。WTe2也于近来被认为是新型Weyl费米子体系而受到越来越多的关注。

(物理学院 科学技术处)