基于5d电子的新型超导材料及其自旋-轨道耦合引起的新物理(2)

菜单

探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用, 同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林· 昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来,人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表, 从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。1986年,德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物( La-BaCuO)，其Tc 为35K, 第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。而在从2008 年2 月末F 掺杂的LaFeAsO 被报道有26 K的超导电性后, 基于此体系材料的超导转变温度在短短几个月中被迅速地提高到55 K,很多新超导体被发现,同时人们对具有更高临界转变温度的新超导材料充满希望。

1.2强自旋-轨道耦合和拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态，现在已经引起了巨大的研究热潮。拓扑绝缘体具有新奇的性质，虽然与普通绝缘体一样具有能隙，但拓扑性质不同，在自旋－轨道耦合作用下，在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自旋劈裂且具有线性色散关系的表面／界面态．这些态受时间反演对称性保护，不会受到杂质和无序的影响，由无质量的狄拉克（Dirac）方程所描述。理论上预言，拓扑绝缘体和磁性材料或超导材料的界面，还可能发现新的物质相和预言的Majorana费米子，它们在未来的自旋电子学和量子计算中将会有重要应用．拓扑绝缘体还与近年的研究热点如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等领域紧密相连，其基本特征都是利用物质中电子能带的拓扑性质来实现各种新奇的物理性质。

具有很强的自旋-轨道耦合（SOC）的相关的电子在过去的几年引起了人们极大的兴趣，很大程度上因为自旋-轨道耦合在创造拓扑绝缘体时有很重要的作用。拓扑绝缘体在费米能处存在着能隙，但是在自旋-轨道耦合作用下能带倒置，材料的表面或边缘无能隙，总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态。有着很强自旋-轨道耦合作用的拓扑超导体表现出非常规的超导电性，在其表面存在零能量的Majorana费米子。特别的，在有着破缺的反演对称性的晶体中，SOC可以大大修改超导性能，引起一些奇特的物理现象。举个例子，由于反演对称性的存在，库珀对既不是自旋单态也不是自旋三重态，即保持宇称守恒。然而在没有反演中心的非中心对称超导体中，反对称的SOC可能会将费米面分割成两个不同的呈螺旋自旋的面，正如Rashba自旋旋轨道相互作用在二维电子系统中的影响一样。分裂的费米面，允许内部、带间中的电子配对，导致自旋单态和自旋三重态组分的混合，同时他们的混合比例受到SOC的调控。此外，有着很强SOC的非中心对称超导体被视为最有希望实现拓扑超导电性的研究的散装材料。

1.3非中心对称材料PbTaSe2

最近，非中心对称复合材料PbTaSe2被报道Tc~3.7K。PbTaSe2它的晶体结构由多层六角形TaSe2和单层Pb交替堆叠而成。在TaSe2层，Ta原子的位置偏离反演对称中心。电子结构计算揭示在布里渊区有一个狄拉克锥，类似于一些不一般的拓扑性材料，在强SOC存在下，出现~0.8eV的间隙。破缺的反演对称性的晶体结构伴随着强的SOC，随着几十分之一电子伏的有序变化，自身出现很大的带裂。这些特征的出现表明有必要用特殊的混合物形成超导配对，即有奇偶混合超导的顺序参量。然而，其超导和正常态性质还没有得到透彻的研究，但为其可能的配对机制和拓扑状态提供了有价值的线索。