[论文解读] Superconductivity Induced by High Pressure in Weyl Semimetal TaP

Yufeng Li, Yonghui Zhou+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 25

一句话总结

本研究证明，高压可诱导外尔半金属TaP发生超导转变，超导转变温度约在70 GPa时被观测到。电阻率和磁阻测量结果结合密度泛函理论计算，揭示了压力诱导的结构相变以及化学势相对于外尔点的移动，从而实现超导性，且该超导态在卸压后仍能保持。

ABSTRACT

Weyl semimetal defines a material with three dimensional Dirac cones which appear in pair due to the breaking of spatial inversion or time reversal symmetry. Superconductivity is the state of quantum condensation of paired electrons. Turning a Weyl semimetal into superconducting state is very important in having some unprecedented discoveries. In this work, by doing resistive measurements on a recently recognized Weyl semimetal TaP under pressure up to about 100 GPa, we observe superconductivity at about 70 GPa. The superconductivity retains when the pressure is released. The systematic evolutions of resistivity and magnetoresistance with pressure are well interpreted by the relative shift between the chemical potential and paired Weyl points. Calculations based on the density functional theory also illustrate the structure transition at about 70GPa, the phase at higher pressure may host superconductivity. Our discovery of superconductivity in TaP by pressure will stimulate further study on superconductivity in Weyl semimetals.

研究动机与目标

• 研究高压下外尔半金属TaP中超导性的出现。
• 理解驱动TaP在高压下超导性的电子结构与结构变化。
• 确定超导性在卸压后是否持续，以判断是否存在稳定超导相。
• 将电阻率与磁阻演化与化学势和外尔点之间的相对位移相关联。
• 通过密度泛函理论计算验证压力诱导的结构相变与超导相。

提出的方法

• 在立方砧压机中对TaP样品施加高达100 GPa的静水压，进行电阻率测量。
• 通过磁阻测量探测不同压力下电子响应与超导转变行为。
• 分析化学势与成对出现的外尔点之间的相对位移，以解释观测到的电阻率与磁阻演化。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算模拟高压下结构变化与电子结构演化。
• 从外尔点对齐与费米能级调控的角度解释电子输运的压强依赖性。
• 实验数据与DFT结果的对比证实，在约70 GPa处存在结构相变，与超导转变的 onset 一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压是否诱导外尔半金属TaP发生超导？
• RQ2 压力诱导的结构相变与TaP中超导性的出现之间有何关系？
• RQ3 在压力作用下，化学势相对于外尔点的相对位置如何演化，其在超导性中起何作用？
• RQ4 超导态在卸压后是否持续，表明存在稳定相？
• RQ5 密度泛函理论计算能否再现TaP在高压下观测到的电子与结构变化？

主要发现

• 在约70 GPa的压力下观测到TaP中的超导性，由于高压环境限制，临界温度无法确定。
• 超导转变在卸压后仍保持，表明形成了稳定的超导相。
• 电阻率与磁阻测量显示系统性压强依赖性演化，与化学势相对于外尔点的移动一致。
• DFT计算揭示在约70 GPa处存在结构相变，支持了实验观测到的该压力下超导性的出现。
• 高压下电子结构的演化，特别是费米能级相对于外尔节点的调控，是实现超导性的关键。
• 结果表明，像TaP这样的外尔半金属可在极端压力下实现超导性，为拓扑超导研究开辟了新途径。