三元金属化合物的超导和拓扑物性研究

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高温超导材料一直是凝聚态物理学的重点研究对象。科学家们一直在探索高温超导材料,希望在实际生产中实现超导材料的更多的应用。但到目前为止,研究发现的大部分超导体的临界转变温度都比较低,而一些预测的氢化物高温超导体达到临界转变温度所需的压强太高,这使超导体的应用受到极大的限制。另一方面,自从拓扑绝缘体的发现以来,寻找新的拓扑状态已经成为凝聚态物理的核心。随着狄拉克半金属和外尔半金属的出现,对拓扑现象的研究兴趣已经很大程度上转向各种拓扑金属或半金属。近期,大量的科研工作致力于研究三元金属化合物的超导和拓扑物理性研究。富氢金属材料在高压下可能是潜在的高温超导材料,这是因为氢的质量轻且德拜温度高。且三元金属氢化物是研究金属氢化物金属化和超导性的方便而有价值的系统,因为它们可以在较低要求的条件下合成并在环境压力下回收。目前运用物理学和材料学的热点就是如何使得富氢材料发挥其金属性和超级导电性,从而形成氢材料的金属化和形成高温超导结构。近期新发现的一种具有超高温条件下还可以实现超导的三氢化硫(H3S),刷新了这个领域的新纪录,它的超导转变温度能达到203K,这个发现是超导体结构向室温状态下的超导转变的重大研究突破,并且引发了国内外对于这种超导体的广泛关注和研究,推动了超导在高压条件下的使用和研发。最近孟德忠等人已经发现富氢金属氢化物Li5Mo H11的导电行为和结构相变;Li5Mo H11在100 GPa左右从绝缘体转变为弱金属。在100 GPa下观察到超导性,在此压强下从绝缘体转变为弱金属并保持到210 GPa,在160 GPa下其最大开始转变温度为6.5 K。但在我们的研究中,我们用USPEX结构搜索软件搜索的稳定(Eu2H6Ru)4化合物在160GPa最大超导转变温度约等于25.8 K。(Eu2H6Ru)4在常压下已经是金属,不用从绝缘体转变金属,直接从金属转进超导相,而且在他们的研究中160GPa下Tc值不是很大,我们在此压力下研究的(Eu2H6Ru)4可具有更高的超导转变温度。近期在理论上提出了一种新型拓扑费米子,即立方分散的狄拉克半金属(CDSM)。由于严格的晶体对称性限制,这个CDSM的物质本身极其罕见,只有准一维钼硫族化物A2Mo6X6(A=Na,K,Rb,In,Tl;X=S,Se,Te)是实现这些立方狄拉克费米子的主要候选;当相互作用的电子在空间上被限制在缩小的维度上时,它们表现出一种更倾向于奇异的电子基态,这使得它们成为理论上和实验上令人着迷的研究课题。准一维系统提供了一个探索低维电子关联的极好场所,因为它们表现出丰富多样的物理现象,包括非费米液体行为、超导性、电荷密度波畸变等。我们主要选取Tl2Mo6Se6作为研究对象,它在环境压力下具有超导性。通过第一性原理计算,研究了高达150 GPa的Tl2Mo6Se6能带结构的压力演化,特别关注其拓扑性质。我们发现P63/m结构在50 GPa以下可能存在拓扑相变。超过50 GPa时,会发生结构相变,从而进入拓扑平凡相。还研究了体边界对应关系,它明确揭示了压力下表面态的变化。计算出的声子谱揭示了这个系统中可能的Peierls畸变。这项工作的预测将为进一步研究与这一系列准一维拓扑化合物相关的新物理性质开辟道路。我们的结果将Tl2Mo6Se6确立为进一步探索与不同类型拓扑费米子相关的各种拓扑现象的理想场所,并可能有助于在未来应用中设计这些非平凡载流子。
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