科学家在三重简并费米子半金属MoP中观测到压力诱导的超导电性

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所副研究员迟振华与强磁场科学中心及中国科学院物理研究所科研人员合作，在高压条件下首次在一种全新的拓扑材料——三重简并费米子半金属MoP中观测到超导现象。相关研究成果发表在自然合作期刊《NPJ量子材料》(npj Quantum Materials 3, 28 (2018))上。

拓扑材料是近几年凝聚态物理领域的研究热点之一。根据电子结构的不同，拓扑材料可以分为拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体。三者的不同之处在于拓扑绝缘体和拓扑超导体的体态是全能隙的绝缘态，而拓扑半金属的体态在费米面附近存在零能隙的简并点或线。目前，实验已发现的拓扑半金属包括狄拉克(Dirac) 半金属、外尔 (Weyl) 半金属、节线 (nodal-line) 半金属等。拓扑半金属可展示线性巨磁阻效应、超高载流子迁移率、极高电导率、高热电势等宏观量子现象，在低能耗电子学器件方面有潜在的应用前景，迅速成为量子材料领域崭新的研究热点和前沿。

寻找新型费米子成为近年来拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。2017年，物理所研究团队利用角分辨光电子能谱技术在具有碳化钨结构的MoP（磷化钼）单晶中首次观测到能带的三重简并点，附近准粒子激发被称为三重简并费米子，不同于四重简并的狄拉克费米子和两重简并的外尔费米子，首次实验证实存在传统类型以外的新型费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。结果发表于Nature 546, 627-631 (2017)，并入选两院院士评选的“2017年中国十大科技进展新闻”。

迟振华与固体所研究员杨昭荣团队合作，在自主搭建的高压综合测试平台上对物理所研究员石友国课题组提供的MoP单晶进行了系统的高压研究，实验结果表明：MoP在30 GPa左右从拓扑半金属转变成超导体，临界转变温度Tc为2.5 K左右，随着压力增大，Tc也随之升高，在95 GPa时升高到4 K。另外，在60 GPa以下，MoP的晶体结构非常稳定，表明受晶体结构对称性保护的拓扑非平庸电子态和超导态在30~60 GPa范围内有可能共存，实验结果与强磁场中心研究员杨晓萍的理论计算结果吻合。相关结果也为拓扑超导的实现提供了一种新的思路。

该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。

磷化钼的压力-温度相图