物理所,|,HfTe3單晶中發現高壓誘導的高度各向異性超導電性

實驗研究表明,在許多低維CDW資料中通過摻雜、加壓等調控手段破壞CDW可以誘匯出SC。囙此,對CDW資料進行物態調控並揭示CDW與SC之間的密切聯繫是凝聚態物理的重要研究內容之一。囙此,HfTe3中的各向異性超導態可以維持在一個更寬的溫度和壓力範圍,這也使其成為研究准一維超導和局域配對的理想資料平臺。

電荷密度波(CDW)和超導電性(SC)是凝態體系中兩種典型的與強電-聲耦合和費米麵不穩定性密切相關的集體電子行為。CDW往往出現在低維結構的資料體系中,而SC是一種三維的宏觀量子現象。實驗研究表明,在許多低維CDW資料中通過摻雜、加壓等調控手段破壞CDW可以誘匯出SC。囙此,對CDW資料進行物態調控並揭示CDW與SC之間的密切聯繫是凝聚態物理的重要研究內容之一。

在已知的CDW資料中,具有强烈准一維結構特徵的ZrTe3(圖1)呈現出非常特殊的物理性質:隨溫度降低,ZrTe3首先在TCDW≈63K形成主要沿著a軸(即-Te2-Te3-一維鏈)的CDW,然後在更低溫度出現各向異性超導態,即a軸電阻從約4K開始下降,直到約2K達到零電阻,表現出較寬的超導轉變,而b軸電阻在約2K出現陡峭的超導轉變。現時的研究認為,ZrTe3中的各向異性的超導轉變是由於在a軸方向發生了從局域配對(local pair,2K < T < 4K)到庫珀對(T < 2K)的渡越。儘管常壓下各向異性SC與CDW共存,但對ZrTe3施加壓力,二者又表現出明顯的競爭關係,即隨壓力新增,TCDW先升高後降低直至消失,同時各向異性SC先被完全抑制,然後又出現“再入超導”現象。ZrTe3中各向異性SC的起源以及SC與CDW的共存與競爭機制仍不清楚。2017年,中國科學院物理研究所SC10組張帥副研究員、陳根富研究員等成功製備出與ZrTe3具有相似晶體結構的高品質HfTe3單晶[Phys. Rev. B 96,174510(2017)],為解决上述問題提供了契機。常壓下,HfTe3單晶在較高TCDW≈93K發生CDW轉變,但降至50mK都沒有觀察到超導迹象,即CDW與SC不共存,這與ZrTe3明顯不同,從而為高壓下揭示這類資料中CDW與SC的關係提供了絕佳平臺。

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極端條件物理重點實驗室/懷柔研究部EX6組的聯培博士生劉子儀在程金光研究員的指導下,與張帥副研究員和陳根富研究員、A06組李俊副研究員和楊槐鑫研究員,聯合哈爾濱工業大學隋鬱教授、中國人民大學劉凱教授以及日本東京大學的Y. Uwatoko教授等合作者,採用活塞-圓筒以及六面砧大腔體高壓低溫物性量測裝置,在12GPa靜水壓、1.5K最低溫和8T磁場的綜合極端環境下,對高品質HfTe3單晶開展了細緻的各向異性電輸運高壓量測。研究發現,對HfTe3單晶施加約5GPa的高壓可以完全抑制其CDW,同時a軸電阻在約4-5K開始出現SC,然而bc軸電阻降至1.5K都沒有出現明顯的超導迹象,這不僅揭示了CDW與SC的競爭關係,而且證實了超導態具有强烈的准一維各向異性。

他們利用低溫透射電鏡科技(圖2),從實驗上首次確定了HfTe3單晶在TCDW以下CDW的波矢q= 0.91(1)a*+0.27(1)c*。然後,詳細量測了HfTe3單晶沿著三個不同晶軸方向的電輸運性質隨壓力的變化。壓力下的a軸電阻結果表明(圖3),隨壓力新增,CDW首先向高溫移動,在約1.5GPa時TCDW達到最高值,然後又逐漸向低溫移動,在Pc≈5GPa時CDW被完全抑制,之後電阻在4-5K的低溫出現明顯降低,且電阻下降的幅度隨壓力升高而逐漸新增,10GPa時在約2K可以實現零電阻,而且增大電流或施加磁場還能部分抑制掉電阻下降,這表明當CDW被抑制掉後很可能發生了超導轉變。上述結果在兩個樣品(#2和#3)中得到了很好的重複。然而,高壓下的交流磁化率測試卻不能觀察到明顯的超導抗磁訊號,這意味著高壓下的超導並不是體超導!他們又在高壓下測試了其他兩個方向的電阻(圖4),結果表明,在a軸電阻已達到零電阻的壓力,b軸電阻在降至1.5K都沒有顯著的電阻下降(#4樣品)或者由於電極傾斜的量測原因而導致稍微下降(#5樣品),而且c軸電阻不僅沒有降低反而在低溫出現上翹。這些實驗結果排除了a軸出現的超導轉變來源於雜質的影響,而且表明HfTe3單晶在高壓下出現的超導態具有强烈的准一維特性。對於#3樣品,9、11、12.5GPa時超導轉變附近的溢出電導率與約化溫度的關係,可以用一維Aslamazov-Larkin模型很好擬合(圖5),這進一步印證了該超導態的准一維特徵。基於上述測試結果,他們建立了HfTe3單晶的溫度-壓力相圖(圖6),顯示出CDW與准一維SC的完全競爭關係。

為了深入理解上述實驗結果,他們又結合原位高壓XRD數據和第一性原理計算,對比分析了壓力對HfTe3和ZrTe3的電子結構和費米麵的影響(圖7)。結果表明,二者的電子結構相似,即布裡淵區(BZ)中心有一個三維費米麵(3D-FSs),BZ邊界處有准一維費米麵(Q1D-FSs)。隨著壓力新增,BZ中心附近的3D-FSs膨脹,與Q1D-FSs的重疊增强,膨脹的3D-FSs使費米能附近的Q1D-FSs占比减少,導致Q1D-FSs沿a*方向嵌套强度减弱,最終抑制CDW,同時强的電-聲耦合和費米麵失穩也容易造成超導態。由於HfTe3中窄帶電子主要來源於-Te2-Te3-鏈的Te-5px軌道,局域配對更容易沿a軸方向形成,囙此電阻下降更容易沿a軸方向發生,呈現准一維超導特性。相比HfTe3,常壓下ZrTe3的3D-FSs較大,在5GPa壓力下沿a*方向甚至形成開放的口袋。這意味著,ZrTe3中Q1D-FSs嵌套導致的CDW弱於HfTe3,與實驗中觀察到的HfTe3TCDW≈93K高於ZrTe3TCDW≈63K吻合。囙此,HfTe3中的各向異性超導態可以維持在一個更寬的溫度和壓力範圍,這也使其成為研究准一維超導和局域配對的理想資料平臺。

相關工作近期發表在npj Quantum Materials,得到了北京市自然科學基金、國家自然科學基金委、科技部重點研發計畫、中科院B類先導專項的資助。

[1] Liu Z Y,Li J,Zhang J F,Li J,Yang P T,Yang H X,Zhang S,Chen G F,Uwatoko Y,Sui Y,Liu K,Cheng J G,Quasi-one-dimensional superconductivity in the pressurized charge-density-wave conductor HfTe3.npj Quantum Materials 6,90(2021).

連結:

https://www.nature.com/articles/s41535-021-00393-8

圖1 ZrTe3(HfTe3)的晶體結構示意圖

圖2.基於低溫透射電鏡科技表徵HfTe3單晶中的電荷密度波

圖3.不同壓力下HfTe3單晶沿a軸的電阻(#2和#3樣品)

圖4.不同壓力下HfTe3單晶沿b軸(#4和#5樣品)和c軸(#6樣品)的電阻

圖5. #3樣品在9、11、12.5GPa下的溢出電導率與約化溫度的關係

圖6.HfTe3單晶的溫度-壓力相圖

圖7.壓力對HfTe3和ZrTe3費米麵的影響

資料標籤: 各向異性 科學 科普
本文標題: 物理所,|,HfTe3單晶中發現高壓誘導的高度各向異性超導電性
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656039077048632
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