郭艳峰课题组在金属磷化合物拓扑超导探索方向取得研究进展

zhongfei

近日，我校物质学院郭艳峰课题组在利用大腔体压机制备金属磷化物超导材料研究中取得重要进展。郭艳峰课题组利用高压制备手段，克服了常压高温制备遇到的磷蒸汽压高的困难，成功制备了超导富磷化合物Nb2P5单晶。该成果展示了高温高压技术对设计、制备超导新材料的独特优势。该研究成果于10月27日以High-Pressure Crystal Growth, Superconducting Properties, and Electronic Band Structure of Nb2P5为题，在美国化学会权威杂志Chemistry of Materials在线发表。
       拓扑超导是近年来凝聚态物理领域的研究热点，其边界上有满足非阿贝尔统计的马约拉纳零能模，若能对它进行操控则有望实现可容错的拓扑量子计算。在具有非平庸拓扑态的超导材料中，拓扑和超导的相互作用有可能实现自旋-动量锁定的表面态，形成容纳马约拉纳零能模的固体环境，因此该类材料被认为是拓扑超导候选材料。在拓扑材料中诱导超导电性或在超导材料种探索非平庸拓扑能带结构是目前发现该类材料的两条有效途径。
       单质磷元素具有丰富的同素异形体，如白磷（或称黄磷）、红磷、黑磷、紫磷等。磷元素是一种非常活泼的化学元素，可以与许多金属元素（metal，以下简写为M）形成化合物，涵盖了从富金属区的M3P到富磷区的MP4。磷和硫等元素在高温下具有很高的蒸气压，在常压高温下用密封石英管的方法生长单晶时处理不当容易爆管的现象。大腔体压机具有物理机械加压、氧化镁八面体包裹以及叶腊石密封的特点及优势，可以为样品提供一个密封而且保温效果较好的样品腔。物质学院购置的2000吨Kawai型大腔体压机（命名为SHTech-2000，见图1）可以充分解决样品合成中元素蒸气压高的难题。考虑到金属富磷属（磷、砷等）化合物具有变化多样的晶体多型性和丰富的物理化学性质，利用高温高压手段探索富磷化合物拓扑超导是一个有意义的尝试。
       其中一个探索点是对富磷的补偿型半金属进行结构的调制。补偿半金属具有极大的正磁阻效应，同时电子能带结构具有弱拓扑绝缘体特征，在磁场下由于塞曼劈裂会导致外尔态。郭艳峰课题组利用高压制备手段，在补偿半金属NbP2中的Nb2P4菱形三棱柱中沿着b轴（图2）嵌入了一条无限长的P链，成功制备了富磷化合物Nb2P5单晶。样品的低温电阻、磁化强度、比热等测试结果表明Nb2P5的超导转变温度为2.6 K为第II类超导，其超导能隙具有s波对称性。该结果表明插入磷链成功在补偿型半金属NbP2中诱导了超导电性。此外，第一性原理计算表明，超导的Nb2P5中由于能带翻转可能形成了非平庸拓扑节线结构，有望作为拓扑超导候选材料。这项工作展现了大腔体压机探索新超导材料的潜力。
       郭艳峰课题组博士研究生刘晓磊和助理研究员于振海为该论文共同第一作者，于振海、绍兴文理学院梁奇峰教授与郭艳峰教授为共同通讯作者，上科大为第一完成单位。

图1 上海科技大学2000吨Kawai型大腔体压机。

图2 Nb2P5结构与超导电性。

        以上研究得到了上海科技大学启动经费、国家自然科学基金面上项目、上海市自然科学基金探索类项目、上海市浦江人才计划、复旦大学应用表面物理国家重点实验室开放基金的支持。
      论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c01807


      文章来源：上海科技大学
      郭艳峰，2008年获得中国科学院物理研究所博士学位，2008年至2015年先后在日本物质材料研究所（NIMS）及牛津大学物理系从事博士后研究，2015年7月份加入上海科技大学，担任新量子物质材料探索研究组组长、研究员及终身制序列（Tenure-track）助理教授。先后获得上海市浦江人才计划、上海市东方学者特聘教授等荣誉。长期从事包括非常规超导体、磁性及拓扑材料等新量子材料探索、单晶生长及物性研究。截至目前发表论文七十多篇，其中逾二十篇发表在Nature Materials，Nature Physics，Journal of the American Chemical Society，Physical Review B，Applied Physics Letters 等国际权威杂志，被引用近1100次。