基于200 GPa超高压实验的过渡金属二硫属化物温度-压力-磁场相图的构建

There exists a common trait regarding the temperature-pressure phase diagram between conventional and unconventional superconductor: superconductivity always locates in the vicinity of an ordered phase, such as charge density wave, spin density wave, antiferromagnetism and so on. The emergence of superconductivity is usually accompanied by the pressure-induced suppression of the ordered phase which coexists and competes with superconductivity. The superconducting region exhibits a dome shape. This universal phase diagram indicates the existence of a unifying framework, more general than BCS, in which superconductivity can be understood as coexisting with some ordered phase, potentially emerging from its fluctuation. To further substantiate the universality of this phase diagram, we plan to investigate the transition metal dichalcogenides via high-pressure low-temperature electronic transport and ac susceptibility measurement, synchrotron radiation x-ray diffraction and Raman scattering to explore the pressure-induced high-pressure superconducting phase, determine the crystal structure of high-pressure superconducting phase, confirm the quantum critical point, establish the temperature-pressure-field phase diagram, unravel the microscopic mechanism underlying the pressure-induced superconductivity, shed further light on the mechanism of high-temperature superconductivity and the foundation of universal theory of superconductivity.

传统超导体与非传统超导体的温度—压力相图具有共性:超导电性与一个有序相毗邻，比如电荷密度波，自旋密度波，反铁磁等，它的出现伴随着与之共存竞争的有序相被压力抑制，超导区呈“圆顶”状。该普适相图表明存在一个比BCS理论更普遍的可统一传统超导电性和非传统超导电性的理论框架:超导电性起源于与之共存竞争的有序相涨落。为了进一步验证该相图的普适性，我们拟采取压力为调控手段，以过渡金属二硫属化物为研究对象，综合低温电输运和交流磁化率测量，同步辐射x射线衍射和拉曼散射等研究手段，探索压力诱导的高压超导相，确定高压超导相的晶体结构，确立量子临界点，建立温度―压力―磁场（T≥1.5 K，P≤200 GPa，H≤9 T）三维相图，揭示压力诱导超导电性的微观机制，为高温超导机制的阐释和普适超导理论框架的建立提供有价值的线索。

在过渡金属二硫属化物中，超导的出现往往伴随着母体中电荷密度波被高压、栅压、插层、掺杂等调控手段所抑制，二者是共存合作竞争的关系，于是存在一个科学问题：电荷密度波是否是该体系超导出现的充分必要条件。2H-MoS2常压无电荷密度波转变，实验上证实通过栅压和插层可以诱导超导电性出现，但还没有高压诱导超导电性发生的实验证据。通过超高压电输运测量，我们发现2H-MoS2在90 GPa左右开始呈现超导电性，超导转变临界温度Tc约为3 K，随着压强升高，Tc急剧提升，并在120 GPa左右达到11 K 左右，然后在130 GPa到220 GPa压强范围内，Tc保持在12 K左右不变。高压同步辐射X射线衍射测量表明2H-MoS2在155 GPa压力范围内无结构相变发生。密度泛函理论计算表明：超导电性的出现可能与电子结构中一个新的扁平空穴型费米口袋的出现有关。我们的工作回答了前面的科学问题：电荷密度波并非过渡金属二硫属化物中超导电性出现的充分必要条件。.拓扑量子材料具有拓扑保护的非平庸电子能带，其宏观物理性能起源于维度、量子限域、量子相干、量子涨落、电子轨道波函数拓扑、电子关联、自旋-轨道耦合及对称性等因素之间的复杂相互作用。开发拓扑与宏观量子现象超导电性共存的本征拓扑超导体是凝聚态物理领域一个重要的研究课题。高压诱导拓扑量子材料包括拓扑绝缘体和拓扑半金属的超导电性提供了一种探索拓扑超导体的有效手段。对三重简并费米子拓扑半金属MoP开展高压电输运测量发现：在27 GPa附近，发生超导转变，临界温度Tc约为2.5 K；随压强升高，Tc逐渐提高；在100 GPa附近，Tc接近4 K。高压同步辐射X射线衍射测量表明MoP在60 GPa压强范围内无结构相变发生。因此，MoP在30 GPa到60 GPa压强范围内可能是拓扑超导体的候选材料。