科学视点

新型网状β-EuSn2As2高压晶体结构及其两步重构相变机制研究获进展

  近年来,拓扑绝缘体由于独特的能带结构和受拓扑保护的量子性质,是凝聚态物理领域中重要的研究方向。本征磁性拓扑绝缘体的发现,掀起了新的研究热潮。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,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,中国科学院物理研究所和上海交通大学物理系合作,通过角分辨光电子能谱(ARPES)测量和第一性原理计算,证实了EuSn2As2是本征磁性拓扑绝缘体[Phys. Rev. X 9, 041039 (2019)]。

  压力作为基本的热力学参数,在拓扑绝缘体的研究中起重要作用。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,已观察到压力诱导的超导性。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。EuSn2As2化合物在常压条件下(将其命名为α-EuSn2As2)具有和Bi2Te3同样的层状菱形(R-3m)结构,然而目前未有关于EuSn2As2的高压研究报道。

  近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员王建涛、副研究员于晓辉、博士赵琳(吉林大学联合培养生)、副研究员洪芳、研究员程金光,与吉林大学教授韩永昊等,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[图1(c)]。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[图1(a-c)]:最近邻的SnAs原子层通过Sn-Sn成键而链接在一起[见图1(b)],而后弯曲的Sn-Sn键逐渐变平形成蜂窝状Sn层,同时As原子跨过Eu层成键形成连接Sn层的锯齿型As链,最终形成三维网状β-EuSn2As2结构。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[图1(e)]。声子谱计算同样证实了β-EuSn2As2结构的高压稳定性(图2)。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(图3)。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(图4)。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。

  该实验用样品由物理所博士伊长江、研究员石友国等提供。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。该研究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“两步重构机制”。这些发现扩展了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。相关研究成果发表在2021年4月13日出版的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 126, 155701 (2021)]上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会以及中科院战略性先导科技专项(B类)等的支持。


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