中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
T02组供稿
第33期
2021年04月23日
新型网状β-EuSn2As2高压晶体结构及其两步重构相变机制

  拓扑绝缘体由于其独特的能带结构和受拓扑保护的量子性质,近年来是凝聚态物理领域中一个重要的研究方向。近两年来,本征磁性拓扑绝缘体的发现,掀起了新一波的研究热潮,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,例如: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,中科院物理所钱天、翁红明、丁洪等和上海交通大学物理系张文涛等合作通过角分辨光电子能谱(ARPES)测量和第一性原理计算成功证实了EuSn2As2是本征磁性拓扑绝缘体[Phys. Rev. X 9, 041039 (2019)]。

  压力作为一个基本的热力学参数,在拓扑绝缘体的研究中起着重要的作用。这是因为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,已经成功地观察到了压力诱导的超导性。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。另一方面,EuSn2As2化合物在常压条件下(我们将其命名为α-EuSn2As2)具有和Bi2Te3同样的层状菱形(R-3m)结构,然而目前还没有关于EuSn2As2的高压研究报道。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王建涛研究员、于晓辉副研究员、赵琳博士(吉林大学联合培养生)、洪芳副研究员、程金光研究员、吉林大学韩永昊教授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[见图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[见图1(a-c)]:首先最近邻的SnAs原子层通过Sn-Sn成键而链接在一起[见图1(b)],随后弯曲的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,并最终形成三维网状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[见图1(e)]。声子谱计算同样证实了β-EuSn2As2结构的高压稳定性(见图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(见图3)。并且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(见图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。

  该实验用样品由中科院物理所伊长江博士、石友国研究员等提供。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。

  该工作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我们提出的“两步重构机制”。这些发现扩展了我们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。该研究成果发表在2021年4月13日出版的Phys. Rev. Lett. 126, 155701 (2021)上。

  该工作得到了科技部国家重点研发项目(2016YFA0401503, 2016YFA0300604, 2018YFA0305700, 2018YFA0305900, 2020YFA0711502)、国家自然科学基金委(11974387, 12004416, 11674328, U2032204, 11774126, 12004014, U1832123, U1930401)以及中科院先导科技专项(B类)等的支持。

相关工作链接:
[1] Monoclinic EuSn2As2: A Novel High-Pressure Network Structure, Lin Zhao, Changjiang Yi, Chang-Tian Wang, Zhenhua Chi, Yunyu Yin, Xiaoli Ma, Jianhong Dai, Pengtao Yang, Binbin Yue, Jinguang Cheng, Fang Hong, Jian-Tao Wang,* Yonghao Han,* Youguo Shi,* and Xiaohui Yu,* Phys. Rev. Lett. 126, 155701 (2021)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.155701
[2] Supplemental Materials for “Monoclinic EuSn2As2: A Novel High-Pressure Network Structure”, http://szsbwsyldr.pq138.com/supplemental/10.1103/PhysRevLett.126.155701

图1. 高压结构相变与结构稳定性。(a)层状α-EuSn2As2在0 GPa时的结构(R-3m对称性)。包含4个弯曲的SnAs层和两个Eu原子层。(b)层状α-EuSn2As2在10 GPa时的结构(R-3m对称性)。其中,最近邻的两个SnAs原子层通过Sn-Sn键链接在一起。(c)单斜β-EuSn2As2网状结构在20 GPa时的形貌 (C2/m对称性)。其网状结构由蜂窝状Sn层和锯齿型As链组成。虚线表示其磁构原胞(P2/m对称性)。(d) 蜂窝状Sn原子层的俯视图。(e) α-EuSn2As2β-EuSn2As2结构的相对焓值随压力的变化。当压力大于14.3GPa时,β-EuSn2As结构更稳定。

图2. β-EuSn2As2结构(P2/m反铁磁对称性)在20 GPa时的声子谱和声子态密度。200和140 cm-1附近的高频声子谱主要由As原子贡献,55 cm-1附近的低频声子谱主要由Sn原子贡献。在整个布里渊区,没有观察到虚频,证实了β-EuSn2As2晶体结构的动力学稳定性。

图3. (a) EuSn2As2在0.16-30.7 GPa压力下的原位XRD衍射图,波长λ = 0.6199 ?。(b)-(d) 在0.16, 15.6 和27.8 GPa时的精修XRD衍射图。(e) 在20 GPa时计算的β相XRD图,其中两个主峰对应于(a)中12.6 GPa以上出现的两个新衍射峰。

图4. (a-c)在0.77-30.8 GPa压力下EuSn2As2的变温电阻测量。低温下的“绝缘-金属-超导”物态转变压力分别约为5和15 GPa。箭头指示其奈尔温度(TN)。(d) 150 K时电阻随压力的变化曲线。在5GPa和12.6 GPa附近的两个不连续变化点分别对应于“两步重构机制”的第一阶段和第二阶段的结构转变。