物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心孫建教授課題組與協(xié)同單位中科院合肥物質科學研究院強磁場中心，以及美國卡內基研究所地球物理實驗室合作，在高壓下ZrTe₅結構相變和超導行為的研究上取得進展，相關成果以《Pressure-induced superconductivity in a three dimensional topological material ZrTe₅》為題，于近期在《美國科學院院報》（PNAS）上發(fā)表[Y. Zhou et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, 2904 (2016)]。該項研究工作由多方努力合作完成，物理學院多位老師和同學參與其中，我校主要負責其中的晶體結構預測和理論計算工作，物理學院碩士生吳玨霏為本文共同一作，孫建教授為共同通訊作者。

具有拓撲性質的半金屬材料是最近凝聚態(tài)物理和材料科學領域的一個研究熱點。層狀的ZrTe₅作為一種熱電材料的同時，因其具有高磁阻、手性反常磁效應等性質而廣受關注。最近的研究表明，單層ZrTe₅擁有較大的能隙，且具有良好的彈性，這些獨特性質使ZrTe₅成為很有希望的量子自旋霍爾（QSH）材料。此外，由層狀ZrTe₅堆積而成的三維體塊材料有可能間于強拓撲絕緣體（STI）和弱拓撲絕緣體（WTI）之間，其究竟是拓撲絕緣體還是半金屬目前還沒有定論。ZrTe₅的上述性質使其成為研究拓撲相變的優(yōu)秀平臺。于此同時，高壓是改變相互作用及其電子態(tài)的有效方法。高壓下的晶體會展現(xiàn)出許多常壓下所不具有的性質，如結構相變和能帶性質的變化，甚至出現(xiàn)新的超導相等等。

圖-1 ZrTe₅在高壓下的相圖。實驗測量發(fā)現(xiàn)6GPa左右出現(xiàn)第一個超導相，20GPa左右出現(xiàn)第二個超導相。

圖-1是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出的ZrTe₅的相圖。在壓力較低的范圍內，隨著溫度的降低，ZrTe₅在較低溫度范圍內會出現(xiàn)一個電阻的反常峰，這與之前的實驗報道相吻合。而隨著壓力的升高，ZrTe₅在較低溫范圍內出現(xiàn)的電阻反常峰逐漸被壓制，當壓力達到6GPa左右時，反常峰被完全壓制的同時出現(xiàn)第一個超導相。隨著壓力的進一步增加，在20GPa左右開始出現(xiàn)第二個超導相，并且超導轉變溫度逐漸提升，在30GPa左右達到約6K的峰值。在壓力更進一步提高后，超導開始溫度又開始逐漸降低。

圖-2 基于第一性原理計算的晶體結構預測結果。A.焓值-壓強關系圖，分別在5GPa和20GPa左右有兩個高壓相變； B. C2/m相晶體結構圖；C. P-1相的晶體結構。

實驗上并不知道這些超導相的晶體結構，即使通過高壓同步輻射測量，僅依靠實驗數(shù)據(jù)去解晶體結構也是非常困難的。孫建教授課題組在預測晶體結構及高壓相變方面積累了一定的經(jīng)驗。他們通過基于密度泛函理論的第一性原理計算對ZrTe₅在高壓下的相變和晶體結構進行了分析（圖-2），運用隨機搜索方法預測了多種可能的晶體結構，經(jīng)焓值計算后確定了C2/m和P-1兩種相在高壓下有機會成為穩(wěn)定相，相變壓強分別在5GPa和20GPa左右，與實驗上吻合得很好。計算所得的聲子譜也表明這兩種結構在各自壓強下是動力學穩(wěn)定的。更為令人高興的是，而后進行的高壓同步輻射實驗也確實測到了這兩種結構。

該工作表明，理論和實驗的通力合作與協(xié)同創(chuàng)新可以大大提高研究工作的效率和水平。高壓作為一種干凈的手段，可以有效調節(jié)體系的電子性質而不引入雜質，用高壓方法來研究材料的拓撲性質是一個很有前景的方向。

研究得到了中組部青年千人計劃、科技部重大研究計劃、國家自然科學基金委項目、江蘇省杰出青年基金、江蘇省雙創(chuàng)人才等基金的資助。

（物理學院 科學技術處）