南京大学物理学院 - 物理学院在第二类拓扑狄拉克材料生长方面取得进展

物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院在第二类拓扑狄拉克材料生长方面取得进展

2018年08月10日

近日,南京大学物理学院、电子学院、中国科学技术大学、中科院物理所、国家纳米科学中心、西湖高等研究院等单位共同合作,在二类狄拉克半金属能带优化的相关研究中取得新进展。成果以《二类狄拉克半金属Ir1−xPtxTe2中的能带优化与超导电性》(Band Structure Perfection and Superconductivity in Type-II Dirac Semimetal Ir1−xPtxTe2)为题,于7月17日发表在《先进材料》(Advanced Materials)上(DOI: 10.1002/adma.201801556)。南京大学物理学院费付聪、薄祥两位同学为共同第一作者。宋凤麒教授、万贤纲教授、王伯根教授联合担任通讯作者。中国科学技术大学孙喆课题组、中科院物理所吕力课题组提供了部分实验条件的支持。
拓扑材料是当前凝聚态物理和材料科学的研究热点,随着研究的深入,拓扑材料的分类越来越丰富和多样化。其中二类狄拉克半金属便是人们在2017年发现的一类新型的拓扑材料,其能带结构拥有沿某一动量方向严重倾斜的线性色散狄拉克锥。新奇的能带结构也会带来一系列奇异的物理性质,因此受到了广泛关注。当前,二类狄拉克半金属的实验研究局限于PtSe2材料家族。但该家族的几种材料(PtSe2、PtTe2、PdTe2)能带结构都不完美,费米面离狄拉克点较远,且都有平庸杂带穿过费米面,对研究二类狄拉克半金属的奇异性质极为不利。因此寻找一种拥有优化能带的理想二类狄拉克半金属成为了相关研究亟待解决的关键问题。
该工作针对PtSe2家族能带上的不足,提出并证实了一种新型的二类狄拉克半金属Pt掺杂的IrTe2体系,其能带结构较PtSe2家族有了极大的优化,是一种理想的二类狄拉克半金属。不同Pt掺杂量的单晶样品通过助熔剂法成功合成。实验表明Pt替位掺杂不仅抑制了IrTe2纯相中低温下发生的结构相变,同时起到了电荷掺杂的作用,对费米面调控起到了关键作用。结合第一性原理计算与角分辨光电子能谱(ARPES),Ir1−xPtxTe2体系的能带结构被系统地研究,实验与理论计算高度吻合,其费米面附近仅有狄拉克能带的贡献,且通过改变Pt掺杂含量可将费米面在狄拉克点附近进行调控,当掺杂量x = 0.3时,费米面刚好切过狄拉克点。同时该工作还发现当费米面靠近狄拉克点时,Ir1−xPtxTe2样品会体现出超导电性。且对于费米面刚好位于狄拉克点的样品(x = 0.3),其超导电性仍然保持,超导转变温度约为0.15 K。
Ir1−xPtxTe2体系集二类狄拉克锥、费米面可调、超导电性于一身,有希望为二类狄拉克半金属的相关研究提供良好的材料平台,也为拓扑超导和马约纳拉费米子的相关研究提供了可能的平台。

图:(a) Pt掺杂的IrTe2能带优化策略示意图;(b) Ir1−xPtxTe2的角分辨光电子谱;(c) Ir1−xPtxTe2的超导电性。

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