拓扑材料的点接触诱导超导研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:hoko0428001
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作为凝聚态物理的一个重要分支,超导自1911年被发现以来,以其独特的物理性质和潜在的实用价值一直受到研究人员的广泛关注。从金属单质到合金到化合物,从常规超导到非常规超导,超导研究取得了一系列重大的研究成果,同时也面临着许多机遇和挑战。近年来,拓扑非平庸材料因其独特的电子结构和在量子计算领域良好的应用前景而成为材料科学及凝聚态物理领域的研究热点,它的体态具有非零的拓扑不变量,在体态和真空相连接的边界处通常会出现特殊的表面态。作为拓扑性质在超导材料中的延伸,拓扑超导的概念应运而生。拓扑超导体的体态是打开能隙的超导态,其表面或边界则存在无能隙的马约拉纳(Majorana)束缚态。马约拉纳准粒子具有非阿贝尔统计的特性,理论上可用于实现高容错的量子计算,因此可以极大地提高计算效率。这种巨大的应用前景吸引了研究人员的密切关注。其中在非超导的拓扑材料中诱导超导电性是实现拓扑超导的一种有效方法,比如目前已经利用高压、载流子掺杂以及超导的近邻效应等方法在多种拓扑材料中观察到了超导。点接触是利用Andreev反射探测超导序参量的一种特色手段,在超导研究领域中发挥了重要的作用。最近几年,国内外多个研究组利用点接触在多种非超导的拓扑半金属材料表面直接探测到了超导信号,引起了极大的关注。本论文主要利用点接触的方法在几种新的拓扑材料中进行了针尖诱导超导研究,并对诱导超导的性质进行了系统的研究,为理解这种现象提供了有用的线索。主要内容如下:第一部分是本论文的研究基础,主要由前两章组成。第一章简单回顾超导的基本概念和研究概况,着重介绍超导相关理论,然后简单介绍一下自旋单态配对与自旋三重态配对,最后简要概述一下拓扑材料。第二章主要介绍点接触的基本原理和实验基础。根据普通金属和超导体界面处势垒高度的不同,电子在界面处的输运行为会受到单粒子隧穿效应和Andreev反射等过程的影响从而产生特定的微分电导谱型。利用Blonder-Tinkham-Klapwijk(BTK)模型对电导谱进行拟合分析,可以得到超导能隙和配对对称性等信息。第二部分是利用点接触在拓扑半金属材料上进行针尖诱导超导的相关实验部分,主要包括几种过渡金属二磷族化合物和灰砷。第三章系统介绍拓扑半金属TaAs2和NbAs2的点接触诱导超导研究。TaAs2和NbAs2均属于过渡金属二磷族化合物MPn2,具有弱的拓扑不变量Z2=[0;111]。我们利用点接触的方法在这两种非超导的拓扑半金属中进行了诱导超导实验,在TaAs2中得到的超导转变温度Tc~2.3-7.9 K,NbAs2 中得到的Tc~2.1-5.0 K。在 NbAs2 中 16 GPa 高压诱导的超导的上临界磁场比针尖诱导的低近一个数量级,这种明显的差异可以排除点接触实验中针尖压力诱导超导的可能,超导主要来源于针尖和样品之间的界面耦合。弱的Z2拓扑不变量导致MPn2中强烈晶向依赖的表面态,但对于TaAs2和NbAs2不同晶面上诱导出来的超导,其零温上临界磁场Hc2(0)与超导转变温度Tc之间具有统一的统计规律。结合第一性原理计算结果,我们认为该体系的体能带结构而非拓扑表面态在超导诱导中起主导作用。这些结果预示着在MPn2体系其它具有类似能带结构和拓扑性质的材料中也极有可能实现针尖诱导超导,且性质相似。因此,在第四章中,我们研究了M Pn2体系的另一成员NbSb2的点接触实验,并成功地诱导出了Tc~2.2-6.1 K的超导电性,其性质与TaAs2和NbAs2上得到的相符。说明这种针尖诱导超导可能与材料的拓扑性质密切相关,具有共同的超导机制。进一步的研究表明,通过界面耦合,体能带很可能在诱导出的超导中起主要作用。此外,MPn2体系中诱导出的超导电性与针尖的铁磁性可以共存,说明诱导出的超导可能具有某些非常规特性。这些结果为进一步阐明拓扑材料中的针尖诱导超导机制提供了线索。第五章,系统介绍另一种拓扑材料灰砷与正常金属针尖的各向异性界面超导。目前已经在多种非超导的拓扑材料中实现了针尖诱导超导,但一些非本征因素还需要排除,例如,之前报道的实现针尖诱导超导的材料大部分含有Cd、Pb、Ta、Nb、Zr或Sn等超导元素,或存在超导的同素异构体。因此,在不可能含有超导杂质的拓扑材料中实现针尖诱导超导将具有重要意义。灰砷作为一种单质拓扑材料,其制备过程中不涉及任何超导材料,而且其同素异构体在常压下均不超导,因此灰砷是一种进行针尖诱导超导研究的理想材料。我们在灰砷中进行了针尖诱导超导实验,并成功探测到了转变温度高达9 K的超导电性,BTK模型拟合得到的能隙随温度的依赖关系Δ(T)随机分布在Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理论曲线附近,有所偏离。通过原位调节弹道极限下针尖的接触状态,发现超导能隙Δ与有效势垒高度Z之间具有明显的负相关规律,说明诱导出的超导与界面的接触状态或耦合强度密切相关。另外,当磁场分别垂直和平行于样品αb面时,诱导出的超导上临界磁场具有明显的各向异性。当磁场垂直于样品ab面时,Hc2(0)与Tc具有统一的平方规律;而磁场平行于αb面时,Hc2(0)分布范围很广,其中一些Hc2(0)远高于垂直场时,这一现象可以用灰砷体电子态在磁场方向法平面投影分量的差异来解释。这些现象再次表面体电子态在拓扑材料的针尖诱导中具有重要作用,为理解针尖诱导超导现象提供了更多重要的线索。第三部分,即第六章,对全文进行了总结和展望。
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