[论文解读] Pressure-induced Superconductivity in the Three-component Fermion Topological Semimetal Molybdenum Phosphide

Zhenhua Chi, Xuliang Chen+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 66被引用 11

一句话总结

本研究展示了在钼磷化物（MoP）中实现压力诱导的超导性，这是一种三组分费米子拓扑半金属，临界温度从27.6 GPa下的2 K上升至95.0 GPa下的3.7 K。高压电子输运、同步辐射X射线衍射（XRD）以及密度泛函理论（DFT）计算证实，外尔点和三重简并点在高达60.6 GPa的压力下依然存在，为研究拓扑超导性奠定了基础。

ABSTRACT

Topological semimetal, a novel state of quantum matter hosting exotic emergent quantum phenomena dictated by the non-trivial band topology, has emerged as a new frontier in condensed-matter physics. Very recently, a coexistence of triply degenerate points of band crossing and Weyl points near the Fermi level was theoretically predicted and immediately experimentally verified in single crystalline molybdenum phosphide (MoP). Here we show in this material the high-pressure electronic transport and synchrotron X-ray diffraction (XRD) measurements, combined with density functional theory (DFT) calculations. We report the emergence of pressure-induced superconductivity in MoP with a critical temperature Tc of about 2 K at 27.6 GPa, rising to 3.7 K at the highest pressure of 95.0 GPa studied. No structural phase transitions is detected up to 60.6 GPa from the XRD. Meanwhile, the Weyl points and triply degenerate points topologically protected by the crystal symmetry are retained at high pressure as revealed by our DFT calculations. The coexistence of three-component fermion and superconductivity in heavily pressurized MoP offers an excellent platform to study the interplay between topological phase of matter and superconductivity.

研究动机与目标

• 研究钼磷化物（MoP）在高压下的电子响应。
• 确定如外尔点和三重简并点等拓扑特征在高压下是否依然存在。
• 探索具有三组分费米子的拓扑半金属中是否存在超导性的出现。
• 建立一个用于研究拓扑序与超导性相互作用的平台。

提出的方法

• 通过高压电子输运测量检测单晶MoP中的超导转变。
• 利用同步辐射X射线衍射（XRD）监测结构变化并检测高达60.6 GPa下的相变。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算分析高压下的电子能带结构和拓扑特征。
• 合成并表征单晶MoP样品，以确保其高质量，适用于输运和衍射测量。
• 使用立方砧压机施加压力，并以氦或氖作为压力传递介质。
• 从静水压下的电阻测量中提取临界温度（Tc）。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoP在高压下是否出现超导性？其临界温度是多少？
• RQ2 MoP中是否存在外尔点和三重简并点等拓扑特征？这些特征在高压下是否得以保留？
• RQ3 MoP的晶体结构在高达60.6 GPa的压力下是否发生相变？
• RQ4 MoP中三组分费米子与超导性的共存如何影响其电子性质？
• RQ5 MoP能否作为研究拓扑超导性的稳定平台？

主要发现

• 在27.6 GPa下，MoP中出现临界温度为2 K的超导性，且在95.0 GPa下提升至3.7 K。
• 通过同步辐射XRD在高达60.6 GPa的压力下未检测到结构相变，表明MoP在高压下具有结构稳定性。
• DFT计算证实，在高压下电子能带结构中仍存在外尔点和三重简并点。
• MoP中的拓扑特征由晶体对称性保护，在极端压力下依然保持稳健。
• MoP中三组分费米子与超导性的共存提供了一个独特体系，可用于探索拓扑超导性。
• 研究结果确立了MoP作为研究量子材料中拓扑性与超导性相互作用的有前途候选材料。