超导和拓扑量子态是如今凝聚态物理中的两项前沿课题。外尔半金属是一类有着三维狄拉克锥的材料,外尔点来自于时间破缺或空间反演对称性破缺,总是成对出现且手性相反,激发的准粒子则是外尔费米子。外尔半金属由于其半金属性和自旋手性相反的成对外尔点,通常含有巨磁阻和负磁阻效应。当外尔半金属进入超导态,我们很有可能观察到奇异的激发态,例如Majorana费米子。过渡金属二硫化合物MoTe2和WTe2在高压下都出现了超导,并且它们都被认为是第二类的外尔半金属。而对外尔半金属NbAs和TaAs的高压试验却没有发现超导的迹象。近期,TaAs和TaP被预言是外尔半金属,并在之后的实验中得到了证实,在这样的外尔半金属中实现体超导是十分有趣且有意义的。

闻海虎教授小组与中科院强磁场科学中心杨昭荣教授小组,北京高压科学研究中心的杨文革教授小组和南京大学的孙建教授小组合作,选择了TaP作为研究对象,对其展开了压力下的详细研究,发现TaP在压力下出现了体超导并伴随着结构相变。第一性原理计算表明,高压下出现的P-6m2结构的超导相含有外尔半金属特征。

图1是测量的TaP在高压下的电阻数据。当外加压力大于71 GPa时,电阻在2.3 K出现了小的下降,如图1a所示。这个下降随着压力升到100 GPa的过程中变得更加明显。图1a的左上插图显示了92 GPa下不同磁场的数据,可以很明显的看到该电阻转变被外磁场逐渐压制,这符合超导转变的基本性质。在降压过程中我们发现,这个电阻转变变得更加明显,如图1b所示。在30 GPa,该转变导致正常态电阻下降了75%。由于在TaP中并没有磁性原子,且Ta的超导转变温度在常压下为4.48 K,同时考虑到该转变十分迅速且电阻下降了75%,这一转变应该是超导转变。

图1.  升压和降压过程中电阻随温度变化关系。a 升压过程中,92 GPa到100 GPa压力下电阻随温度变化曲线。降压过程中,不同压力下的R(T)曲线如b所示。

图2显示了高压XRD的实验结果。图2bc中我们可以清晰的看到,在71.08 GPa附近TaP发生了结构相变,属于新结构P-6m2的(021)峰的出现是一个明确的标志。I41mdP-6m2的晶体结构分别如图2d所示,完全卸压后的数据可以用P-6m2得到很好的拟合。随后我们对该新结构进行了第一性原理计算,结果表明该结构仍然具有外尔性。

图2. 高压XRD结果以及TaP的高压结构。a TaP在高压至101.66 GPa的X射线衍射结果;b 以(112)峰强度归一的四个峰的峰强随压力变化曲线;c 属于P-6m2的(021)峰在压力达到71.08 GPa时出现,其标志了新结构的出现;d I41md和P-6m2的晶体结构;e 完全降压后XRD结果用P-6m2结构的拟合结果。

文章共同第一作者是李玉峰、周永惠、郭照芃、韩飞,通讯作者为孙建教授、杨昭荣教授、杨文革教授以及闻海虎教授,闻海虎教授协调了整个工作进展。该工作得到了国家自然科学基金委,科技部国家重点研究和发展项目和教育部985计划的支持,作者对此表示感谢。该工作发表于【npj Quantum Materials 2, 66 (2017)】。