基超导体中压⼒诱导的轨道重取向

作者: 王俊杰

来源: Angew. Chem. Int. Ed. 62, e2022160 (2023)

发布日期: 2023-09-27 19:42:10

中国科学院物理研究所的研究团队通过高压技术研究了SnAs基超导体的晶体结构和电学性质,发现压力诱导的轨道重取向显著提高了超导体的临界温度。

超导体的临界温度(Tc)及相关物性由超导基元的配位结构、配位数⽬和排列⽅式等参数所决定。在Fe基超导体中,FeAs(Se)4四⾯体的Fe-As(Se)-Fe夹⻆和阴离⼦As(Se)⾼度等与Tc、正常态输运性质和配对机制密切相关。

SnAs基化合物具有丰富的结构和物性,其中层状SnAs基化合物LiSn2As2和NaSnAs具有多样化的堆垛⽅式,常压下分别展现出超导电性(Tc =1.1-1.3 K)和半导体导电⾏为,另外,⼆元化合物SnAs的结构为NaCl型,Tc为 4 K。这些电学性质的差异可能与Sn-As多⾯体基元的p轨道杂化⽅式、交叠程度及电荷空间位阻效应相关。

近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼先进材料实验室A02组博⼠⽣王俊杰在应天平特聘研究员和郭建刚研究员的指导下,与上海科技⼤学⻬彦鹏课题组合作,利⽤⾦刚⽯对顶砧技术研究了Li0.6Sn2As2和NaSnAs的晶体结构和电学性质随压⼒的演化规律,并结合理论计算对Sn和As的轨道取向特征和Tc的提⾼等进⾏了分析。

理论结构搜索表明LiSn2As2在⾼压下会发⽣α-β相变,其中α相空间群为R3m,Sn和As配位形式为SnAs3四⾯体,包含了⼀对孤对电⼦;β相空间群为I4/mmm,Sn和As配位转变为SnAs4五⾯体,四个As原⼦构成平⾯结构,两者的晶体结构和孤对电⼦排布⻅图1a-c。

化合物形成焓计算表明当压⼒⼤于25GPa,LiSn2As2的β相结构具有更低的形成焓,更稳定;当压⼒⼤于15GPa,NaSnAs的β相和γ相(P4/mmm)形成焓低且相近,后两相都包含了SnAs4五⾯体,如图1d-e所示。⾼压原位同步辐射实验和晶体结构精修证明了LiSn2As2确实在⾼压下发⽣了α-β相变,相变压⼒与理论计算值基本相⼀致。

⾼压原位电学输运测试发现Li0.6Sn2As2在发⽣α-β相变时,Tc大幅度提⾼⾄7.5K,其为常压下Tc的6倍,之后随着压⼒的增⾼逐渐降低,⻅图2a-b。在75.3GPa时,Li0.6Sn2As2上临界场的外插值为2.5T,是常压下上临界场的3倍。理论计算表明,在α-β相变后,As的4p电⼦轨道发⽣了pz到px+py重取向,导致道杂化程度增强,促进了电⼦在As四⽅平⾯内的传输,从⽽提⾼了Tc。

本⼯作对于导向性设计层状超导体具有指导意义。

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