拓扑绝缘体由于其独特的能带结构和受拓扑保护的量子性质,近年来是凝聚态物理领域中一个重要的研究方向。近两年来,本征磁性拓扑绝缘体的发现,掀起了新一波的研究热潮,因为在这类磁性拓扑绝缘体中,磁性和拓扑表面态之间的相互作用会产生许多奇异的拓扑量子效应,例如:量子反常霍尔效应,手性马约拉纳费米子和轴子绝缘体等。
2019年,中科院物理所钱天、翁红明、丁洪等和上海交通大学物理系张文涛等合作通过角分辨光电子能谱(ARPES)测量和第一性原理计算成功证实了EuSn2As2是本征磁性拓扑绝缘体[Phys. Rev. X 9, 041039 (2019)]。
压力能够有效地调节物质的晶体结构和电子结构,从而诱导新的物理性质和物理现象。
在典型的拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3中,已经成功地观察到了压力诱导的超导性。它们在环境压力下具有层状菱形(R-3m)结构并在高压下转变成为单斜(C2/m)晶体结构,并且这些结构相变往往伴随着超导相的产生或超导转变温度的突变,体现了结构与超导之间的强相关性。
另一方面,EuSn2As2化合物在常压条件下(我们将其命名为α-EuSn2As2)具有和Bi2Te3同样的层状菱形(R-3m)结构,然而目前还没有关于EuSn2As2的高压研究报道。
最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王建涛研究员、于晓辉副研究员、赵琳博士(吉林大学联合培养生)、洪芳副研究员、程金光研究员、吉林大学韩永昊教授等通过第一性原理理论计算和原位高压实验,发现了一个新的三维网状β-EuSn2As2晶体结构。
理论计算表明该结构具有单斜(C2/m)对称性,由蜂窝状的Sn层和锯齿型As链组成,在压力作用下,可由层状α-EuSn2As2晶体结构通过“两步重构机制”转变而成。能量计算表明当压力大于14.3GPa时,三维网状β-EuSn2As2结构比层状α-EuSn2As2结构更稳定。声子谱计算同样证实了β-EuSn2As2结构的高压稳定性。
同时,实验上通过原位高压X射线衍射实验确认了EuSn2As2样品在12.6 GPa时发生了由层状菱形相(α-EuSn2As2)到三维网状单斜相(β-EuSn2As2)的结构相变。并且通过原位高压电阻测量发现,在约5GPa和15GPa时,样品在低温区发生了“绝缘-金属-超导”的物态转变。超导转变温度在15GPa到实验最高压力30.8 GPa的压力范围内约为4 K的恒定值。
该实验用样品由中科院物理所伊长江博士、石友国研究员等提供。原位高压X射线衍射(XRD)实验在北京同步辐射装置(BSRF) 4W2高压站完成。原位高压电阻测量在怀柔综合极端条件实验装置完成。该工作通过第一性原理理论计算和原位高压实验,发现了一个新的EuSn2As2高压晶体结构,有关电子输运性质的转变很好地反映和证实了我们提出的“两步重构机制”。
这些发现扩展了我们对层状磁性拓扑绝缘体的认识,并将激发更多相关工作的开展。该研究成果发表在2021年4月13日出版的Phys. Rev. Lett. 126, 155701 (2021)上。