物理学院在WTe2超导的研究中取得重要进展

近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组与温锦生课题组、陈延彬课题组合作,利用碱金属插层的方法在Weyl半金属WTe2中实现了超导转变。该工作以“Superconductivity in Potassium-Intercalated Td-WTe2”为题于2018年9月18日在Nano Letters上在线发表(https:/doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03180)。南京大学物理学院博士生朱立为论文的第一作者;李绍春教授、温锦生教授和陈延彬教授为该工作的共同通讯作者。

如何在拓扑材料中调节超导相变是近年来的凝聚态物理中的一个研究热点,有望实现拓扑超导体。作为第Ⅱ类Weyl半金属的候选材料以及由于不饱和磁阻现象的发现,WTe2引起了学术界的广泛关注。2015年,南京大学物理学院的宋凤麒等人和中科院物理所的孙力玲等人通过高压手段分别在WTe2中独立发现了超导转变。随后,南京大学物理学院的孙建等人通过DFT计算发现,这种高压下的超导现象伴随着的结构相变。然而一直以来在常压下都没有观察到WTe2的超导转变。因此,是否在WTe2中存在拓扑与超导的共存仍然是一个有待回答的问题。考虑到高压下的结构相变会导致材料的拓扑性质发生变化,寻找一种有效的调控方法来获得WTe2常压超导是非常必要的。

电荷掺杂是一种相对常用而且有效的超导调控方法。该课题组采用液氨法成功地在WTe2单晶的范德瓦尔斯间隙中插入碱金属元素钾原子,获得了不同钾原子浓度的插层KxWTe2,如图(a)所示。XRD精修结果显示,钾原子插层并没有明显改变WTe2的晶体结构,因此KxWTe2可能仍然保留了第二类Weyl 半金属的拓扑能带性质,而碱金属插层则主要起到了电荷掺杂的作用。图(b)显示了电阻随温度变化的测量结果。随着温度下降,插层KxWTe2呈现出半金属特性,与未掺杂的WTe2一致;当温度到达~2.6 K附近时,电阻出现迅速的下降,并在~1.2 K完全降为零,表现出超导转变。施加外磁场可以观察到超导转变被抑制,如图(b)插图所示。KxWTe2的超导性质表现出强烈的各向异性:沿平行于样品表面方向的临界磁场要比垂直方向的临界磁场大10倍左右。 这一性质与已经报道的一些超导体系相似,比如一些过渡金属二硫化物和铁基超导体。扫描隧道显微谱测量证实了超导能隙的存在,如图(c)所示。

 

图1(a)KxWTe2的STM表面形貌图。(b)钾插层WTe2的电阻随温度变化曲线。插图:在不同的外加磁场(H)下的电阻随温度变化曲线。(c)KxWTe2样品表面测量的扫描隧道显微谱显示超导能隙的存在。

 

可以预期,常压下WTe2的超导转变将使得更多的实验测量手段可以被利用,从而为常压下研究WTe2的超导机制提供了材料基础。由于WTe2本身属于第二类Weyl半金属,钾插层的WTe2也为研究拓扑超导提供了一种新的候选材料。

该工作得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、江苏省双创人才计划和六大人才高峰等项目的资助。

(物理学院 科学技术处)