罗惠霞教授团队在层状过渡金属碲化物新超导材料方面取得系列研究进展

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超导是物理学中最迷人的宏观量子现象之一，超导材料是指具有在一定温度条件下(一般为较低温度)呈现出电阻等于零并且排斥磁力线性质的材料，因具有完全电导性、完全抗磁性及通量量子化的奇特性质。然而对于寻找室温超导体和超导机理的探索依然还有很长的路。高温超导体中通常存在繁多而又复杂的竞争量子态和结构序，并且各种量子态和结构序之间又相互影响。因此理解这些量子态和结构序对高温超导的探索是十分必要的。
       具有层状的过渡金属硫化物(TMDs)由于具有可调带隙和丰富的物理性质，是研究各种量子态和结构序之间相互作用的良好材料。特别是电荷密度波(CDW)与超导电性(SC)之间的相互作用，已成为凝聚态物理的重要研究课题之一。超导电性和电荷密度波是两种不同的电子态，两者均起源于电声子耦合和费米面失稳。在电荷密度波和超导共存图像中，进入电荷密度波态后，由于费米面的嵌套而打开能隙，从而导致态密度的丢失，表现出电荷密度波与超导相竞争的行为。人们可以通过增加压力或化学掺杂等手段压制电荷密度波态，超导临界转变温度随电荷密度波态压制，会展现穹顶状的行为。目前已发现的具有层状结构的过渡金属硫化物同时具有超导电性及电荷密度波相变，如典型的2H-NbSe2，2H-TaSe2等过渡金属二硫化物；或者可以通过化学掺杂或物理压力抑制这些母体(如1T-TiSe2，1T-TaS2)的电荷密度波相变，从而出现超导电性。尽管过渡金属硫化物超导材料的探索研究取得了重要的进展，但是目前研究人员主要集中于层状过渡金属硫硒化合物超导体的研究，层状金属碲化物超导体的报道相对较少，另一方面电荷密度波的形成机制与超导的竞争关系仍悬而未决。

       近期中山大学材料科学与工程学院罗惠霞教授课题组开发了一系列层状碲化物新超导材体，并通过电子/空穴掺杂调控，系统研究了超导电性与电荷密度波的竞争作用。罗惠霞教授团队发现准二维CuIr2Te4化合物同时具有电荷密度波相变和超导电性，其电荷密度波相变温度大约在250 K，超导转变温度在2.5 K左右(Physical Review B, 2019, 100, 174504)。在此研究基础上，罗惠霞教授课题组分别在Cu位，Ir位和Te位掺杂Zn，Ti和I，进一步成功获得Cu1-xZnxIr2Te4，CuIr2-xTixTe4和CuIr2Te4-xIx过渡金属新碲化物。研究发现Cu位掺杂Zn，成功抑制了CDW，同时提高了超导电性，最大超导转变温度达到2.82 K，而且超导电性出现在整个掺杂浓度区域。另一方面，Ir位掺杂部分Ti元素，也是可以成功抑制CDW，并出现穹顶形状的具体掺杂超导相图，此相图与典型高温超导的掺杂相图十分相似。然而，研究发现Te位掺杂I，首先CDW相变被抑制，但是CDW在过掺杂区域又重新出现，并且在过掺杂区域的CDW相变温度随着掺杂浓度的升高而升高，在两端电荷密度区域之间同样出现呈现穹顶形状的超导相图，最大超导转变温度达到2.95 K。该研究不仅为过渡金属碲化物超导材料的家族增加了新成员，而且为进一步研究超导电性和电荷密度波的竞争机制以及相关量子态的研究提供理想的材料平台。此外，该碲化物超导材料的掺杂相图与高温超导相图类似，有助于人们理解高温铜基或铁基超导的磁性与超导的竞争机制。

图1 Zn1-xCuxIr2Te4, CuIr2-xTixTe4与CuIr2Te4-xIx体系掺杂浓度与超导转变温度的电子相图

       上述研究成果，罗惠霞教授作为唯一通讯作者发表在The Journal of Physical Chemistry C 125(10) 2021; Chinese Physics Letters 38(3) 2021; Journal of Alloys and Compounds 885(10) 2021等国际期刊上，该系列研究受到国家自然科学基金优秀青年基金、广东省自然面上基金、中央高校青年重点培育等项目的大力支持。
      

         文章来源：中山大学
        罗惠霞，女，1984年7月生，中山大学“百人计划”教授，博士生导师。2019年度国家优秀青年科学基金获得者、2019年广东省青年珠江学者入选者。2007年到2009年在华南理工大学王海辉教授（杰青、长江、洪堡学者）组学习，提前一年硕士毕业（获2009 年度“广东省优秀硕士学位论文”）。2009年至2012年在德国莱布尼茨汉诺威大学物理与电化学所 Jürgen Caro 教授研究组学习，2012 年7月以“Excellent”成绩博士毕业并获化学博士学位获得理学博士学位。2012年应 Robert Cava 教授（美国科学院院士、英国皇家学院外籍院士）的邀请，在美国普林斯顿大学化学系开展博士后研究工作。2016年12月，作为中山大学“百人计划”急需人才青年杰出人才Ⅰ类引进回国，现任中山大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，课题负责人，主要致力新型超导材料、拓扑材料、拓扑量子催化材料及其他无机固态新化合物的理论设计及实验合成。近年来主持国家自然科学基金、高校基本业务费重点培育项目、广东省自然科学基金等项目多项，曾获“2018年度国际先进材料协会杰出科学家奖（IAAM Scientist Medal）”、入选“the Asian Scientist 100 list”；在PNAS，Nature Comm, Angew. Chem. Int. Ed.，Chem Mater，Chem Comm，J. Mater. Chem.: A，PRB 等学术刊物上发表SCI收录论文40多篇，应邀编著英文专著【Advanced Topological Insulators】 1 本，撰写英文章节 4 章；申请国家发明专利10项（已授权1项），受邀担任国际期刊Aspects in Mining & Mineral Science的副主编，Energy and Environment Research的 编委。