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://link.aps.org/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-EuSn₂As₂和β-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(T_N)。(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。

PRL 126, 155701 (2021).pdf
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