近日，人工微结构科学与技术协同创新中心的多家协同单位，包括中科院合肥物质科学研究院强磁场中心杨昭荣、田明亮课题组和南京大学物理学院孙建、万贤纲课题组，联合北京高压研究中心和美国卡内基研究院等合作单位，一同在高压、强磁场极端条件下对拓扑电子材料的量子序调控研究中取得重要进展，发现了ZrTe5在高压下存在两个超导相，相关结果以《压力诱导三维拓扑材料ZrTe5超导电性》为题，发表在美国科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。
图1. 单晶ZrTe5的温度-压力相图
伴随着拓扑绝缘体的发现，材料的拓扑特性以及新奇量子效应在过去的十年里受到了广泛的关注和研究，拓扑电子材料家族也从最初的拓扑绝缘体逐渐扩展到狄拉克半金属和外尔半金属等。ZrTe5最初由于具有大的热电势作为热电材料被广泛研究，而最近的理论研究表明，单层的ZrTe5是一个具有大能隙的量子自旋霍尔绝缘体，块体材料的拓扑性质位于强-弱拓扑绝缘体之间。很快对该体系的角分辨光电子能谱和磁场下红外光谱的研究实验表明ZrTe5可能是一个三维狄拉克半金属材料，这个体系到底是拓扑绝缘体还是半金属似乎还有争议。中心田明亮研究组最近在ZrTe5的磁输运性质研究中实验观测到了与狄拉克半金属相关的手征磁效应。这些研究发现表明ZrTe5是一个研究拓扑相变的理想体系，因为该材料的拓扑特性灵敏于外参量的变化。
压力作为一个基本的热力学参量，是一个干净的调控手段，它可以有效地调节晶格和电子态，进而调节材料的量子态。中心杨昭荣课题组通过对ZrTe5单晶进行高压下的电阻和交流磁化率测量（压力最高达到68.5 GPa）发现，伴随着常压下128 K附近电阻峰的逐渐抑制，样品在6.2 GPa时表现出Tc=1.8 K的超导电性，超导转变温度Tc随压力增加而增加，在14.6GPa时达到4K的最大值。当压力增加到21.2 GPa之上，第二个超导相（Tc=6 K）被诱导出来，并和原先的超导相共存（图1）。
但输运实验并不能得到超导相的晶体结构，即使通过高压同步辐射测量，仅仅依靠实验数据去解晶体结构也非常困难。中心孙建教授课题组在预测晶体结构及高压相变方面积累了一定的经验。他们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对ZrTe5在高压下的相变和晶体结构进行了分析（图2），运用随机搜索方法预测了多种可能的晶体结构，经焓值计算后确定了C2/m和P-1两种相在高压下有机会成为稳定相，相变压强分别在5GPa和20GPa左右，与实验上吻合得很好。计算所得的声子谱也表明这两种结构在各自压强下是动力学稳定的。更为令人高兴的是，而后由北京高压科学中心杨文革研究员和毛河光院士课题组完成的高压同步辐射实验也确实测到了这两种结构。此外中心万贤纲教授课题组还从理论上探讨了该体系出现拓扑超导电性的可能性。
图2基于第一性原理计算的晶体结构预测结果。A.焓值-压强关系图，分别在5GPa和20GPa左右有两个高压相变； B. C2/m相晶体结构图；C. P-1相的晶体结构。
该工作在PNAS在线发表后不久，PHYS.ORG的专栏作家Stuart Mason Dambrot以“Cool under pressure: Superconductivity in 3D Dirac semimetal zirconium pentatelluride”为题撰文对该工作进行了详细报道。值得一提的是，在我们的文章张贴到arxiv.org网站后，国际上同时有两个研究组在ZrTe5类似的体系HfTe5中也测到了两个高压诱导的超导相，并且引用了我们在ZrTe5中发现的C2/m和P-1结构来解释他们在HfTe5中的实验结果。
这是一项多方努力合作完成的研究工作，中心的多个课题组共同参与，协同创新。这个工作顺利开展也表明，理论和实验的通力合作与协同创新中心的这样一种机制可以大大提高研究工作的效率和水平。该项研究除受到了人工微结构科学与技术协同创新中心的支持外，还得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金委项目、中组部青年千人计划、江苏省杰出青年基金、江苏省双创人才等基金的资助。
相关链接：Proceedings of the National Academy of Sciences March 15, 2016 vol. 113 no. 11 2904-2909, doi:10.1073/pnas.1601262113
http://phys.org/news/2016-03-cool-pressure-superconductivity-3d-dirac.html