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中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心科研人員在拓?fù)涑瑢?dǎo)單晶體研究中取得新進(jìn)展。研究人員獲得高質(zhì)量的SrxBi2Se3單晶體，這種材料表現(xiàn)出高達(dá)91.5%的超導(dǎo)體積比，且該材料在空氣中十分穩(wěn)定。利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)SrxBi2Se3單晶體進(jìn)行了研究，研究人員發(fā)現(xiàn)該材料在10特斯拉到35特斯拉磁場區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號(hào)，給出了此體系存在拓?fù)浔Ｗo(hù)表面態(tài)的證據(jù)。
拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)是物質(zhì)的一種新狀態(tài)，有別于傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，拓?fù)涑瑢?dǎo)體的表面存在厚度約1納米的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無能隙的金屬態(tài)，而內(nèi)部則是超導(dǎo)體。如果把一個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體一分為二，其新的表面又自然出現(xiàn)一層厚度約1納米的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài)。這種奇特的拓?fù)湫再|(zhì)使得拓?fù)涑瑢?dǎo)體被認(rèn)為永遠(yuǎn)不會(huì)出錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)的理想材料。
近年來，全世界的科學(xué)家對(duì)尋找潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)材料表現(xiàn)出極大的興趣。2010年，美國普利斯頓大學(xué)教授R. J. Cava研究組報(bào)道在CuxBi2Se3中出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，引起了國際上關(guān)于該體系是否拓?fù)涑瑢?dǎo)體的廣泛關(guān)注。然而，接下來的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展表明，CuxBi2Se3超導(dǎo)體的超導(dǎo)體積比不高（最高僅為50%左右），而且該材料在空氣中極不穩(wěn)定，這些不利因素極大地限制了對(duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的進(jìn)一步研究。
尋找一種新的潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)單晶材料是當(dāng)前拓?fù)涑瑢?dǎo)研究中的一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。5年來，在這方面進(jìn)展甚微。近日，在強(qiáng)磁場科學(xué)中心首席科學(xué)家張?jiān)：愕念I(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)的研究員張昌錦研究小組在潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)單晶體研究中取得新進(jìn)展。研究人員利用高溫熔融法，成功地把堿土金屬元素Sr插入到典型的拓?fù)浣^緣體材料Bi2Se3中，獲得了高質(zhì)量的SrxBi2Se3單晶體，這種材料表現(xiàn)出高達(dá)91.5%的超導(dǎo)體積比。研究人員將該材料放置于空氣中長達(dá)4個(gè)月時(shí)間，發(fā)現(xiàn)該材料的超導(dǎo)性質(zhì)沒有發(fā)生變化，說明其在空氣中十分穩(wěn)定。
研究人員利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置五號(hào)水冷磁體對(duì)SrxBi2Se3單晶體是否存在拓?fù)湫再|(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該材料在10特斯拉到35特斯拉磁場區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號(hào)，通過對(duì)該振蕩信號(hào)進(jìn)行分析，研究人員給出了這個(gè)體系存在拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)的證據(jù)。這些結(jié)果表明SrxBi2Se3單晶體是研究拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的理想材料。
研究成果以Superconductivity with topological surface state in SrxBi2Se3 為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemistry Society）上。
該研究得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心科學(xué)研究項(xiàng)目支持。
(a) SrxBi2Se3單晶體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變；(b) 樣品的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)；(c)和(d) 利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場水冷磁體裝置測量得到的樣品的量子振蕩；(e)和(f) 通過對(duì)量子振蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到反映拓?fù)浔砻鎽B(tài)的證據(jù)：朗道指數(shù)和1/B的截距接近0.5。
拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)是物質(zhì)的一種新狀態(tài)，有別于傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，拓?fù)涑瑢?dǎo)體的表面存在厚度約1納米的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無能隙的金屬態(tài)，而內(nèi)部則是超導(dǎo)體。如果把一個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體一分為二，其新的表面又自然出現(xiàn)一層厚度約1納米的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài)。這種奇特的拓?fù)湫再|(zhì)使得拓?fù)涑瑢?dǎo)體被認(rèn)為永遠(yuǎn)不會(huì)出錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)的理想材料。
近年來，全世界的科學(xué)家對(duì)尋找潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)材料表現(xiàn)出極大的興趣。2010年，美國普利斯頓大學(xué)教授R. J. Cava研究組報(bào)道在CuxBi2Se3中出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，引起了國際上關(guān)于該體系是否拓?fù)涑瑢?dǎo)體的廣泛關(guān)注。然而，接下來的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展表明，CuxBi2Se3超導(dǎo)體的超導(dǎo)體積比不高（最高僅為50%左右），而且該材料在空氣中極不穩(wěn)定，這些不利因素極大地限制了對(duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的進(jìn)一步研究。
尋找一種新的潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)單晶材料是當(dāng)前拓?fù)涑瑢?dǎo)研究中的一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。5年來，在這方面進(jìn)展甚微。近日，在強(qiáng)磁場科學(xué)中心首席科學(xué)家張?jiān)：愕念I(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)的研究員張昌錦研究小組在潛在的拓?fù)涑瑢?dǎo)單晶體研究中取得新進(jìn)展。研究人員利用高溫熔融法，成功地把堿土金屬元素Sr插入到典型的拓?fù)浣^緣體材料Bi2Se3中，獲得了高質(zhì)量的SrxBi2Se3單晶體，這種材料表現(xiàn)出高達(dá)91.5%的超導(dǎo)體積比。研究人員將該材料放置于空氣中長達(dá)4個(gè)月時(shí)間，發(fā)現(xiàn)該材料的超導(dǎo)性質(zhì)沒有發(fā)生變化，說明其在空氣中十分穩(wěn)定。
研究人員利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置五號(hào)水冷磁體對(duì)SrxBi2Se3單晶體是否存在拓?fù)湫再|(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該材料在10特斯拉到35特斯拉磁場區(qū)間出現(xiàn)了周期性的量子振蕩信號(hào)，通過對(duì)該振蕩信號(hào)進(jìn)行分析，研究人員給出了這個(gè)體系存在拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)的證據(jù)。這些結(jié)果表明SrxBi2Se3單晶體是研究拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的理想材料。
研究成果以Superconductivity with topological surface state in SrxBi2Se3 為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemistry Society）上。
該研究得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心科學(xué)研究項(xiàng)目支持。
(a) SrxBi2Se3單晶體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變；(b) 樣品的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)；(c)和(d) 利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場水冷磁體裝置測量得到的樣品的量子振蕩；(e)和(f) 通過對(duì)量子振蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到反映拓?fù)浔砻鎽B(tài)的證據(jù)：朗道指數(shù)和1/B的截距接近0.5。
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