硫族化合物三維拓撲絕緣體高壓研究獲進展科學頭條網

拓撲絕緣體是當前凝聚態物理研究的重要量子材料之一。理想的拓撲絕緣體體內為絕緣態，而表面為金屬態，表面電子態受軌道-自旋相互作用和時間反演對稱性的保護。由於具有M

₂X₃（M通常為五族金屬元素Bi或Sb，X為六族非金屬元素Te、Se或S）化學組成的硫族化合物的原子具有相近的電負性，同時又具有斜方六面體的晶體結構，因而利於形成拓撲絕緣體。在對這類材料的研究中有兩個備受關注的熱點問題：一是其表面態與體態的關係如何，對這個問題的深入理解對拓撲絕緣體具有重要意義；另一個是能否將其通過化學或物理方法調製成拓撲超導體，如果能夠成功調製拓撲超導體，將會在自旋電子學與量子計算等方面具有重大的潛在應用價值。然而，前期的實驗研究結果表明，所發現的拓撲絕緣體的體態具有較高的載流子濃度，難以在輸運實驗上將表面態與體態進行區分，為表面態導電特性的研究帶來困難。最近，拓撲材料的製備有了新的發展，製備出了理想的三維拓撲絕緣體Bi₂Te₂Se（BTS）和Bi_1.1Sb_0.9Te₂S（BSTS），其不僅具有金屬表面態而且體態具有高度的絕緣性，為表面態與體態關係的研究提供了機遇。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室研究員孫力玲、博士生蔡樹等，在研究員胡江平、博士勒聰聰理論計算的配合下，與普林斯頓大學教授R.Cava等合作，對BTS和BSTS三維拓撲絕緣體的表面態和潛在的超導電性開展了系統的高壓研究。通過高壓原位電阻、磁化率和同步輻射XRD實驗測量發現儘管這兩種材料的體態電導在較低壓力的作用下增大了幾個數量級且隨溫度發生變化，但表面態電導卻不隨溫度和壓力變化，首次從實驗上揭示了這類拓撲絕緣體的表面態導電性是獨立於體態導電性的。

此外，對這兩種拓撲絕緣體較高壓力下的研究結果表明：不同的壓力下在兩種材料中都能誘導出兩個超導轉變，這兩個超導相均出現在晶體結構相變的邊界處。通過與之前M₂X₃體系拓撲絕緣體高壓研究結果的分析對比，首次得到了這類拓撲絕緣體具有普適的壓力-超導相圖。這些結果為理解拓撲絕緣體的拓撲性質、晶體結構和超導電性之間的關聯，進而為深入研究拓撲絕緣體的關鍵問題，提供了重要的實驗依據。

上述工作分別以Independence of topological surface state and bulk conductance in three-dimensional topological insulators 和Universal superconductivity phase diagram for pressurized tetradymite topological insulators 為題目發表在【npj Quantum Materials, 3, 62 (2018)】和【Phys. Rev. Materials, 2(2018)114203】上。

該項研究得到科技部重點研發計劃(2017YFA0302900, 2016YFA0300300，2017YFA0303103)、國家自然科學基金委項目(11427805,U1532267,11604376)、中科院B類先導項目和松山湖材料實驗室的支持。高壓X射線衍射實驗室是在中科院高能物理研究所同步輻射裝置4W2線站和上海光源15U線站上完成的。