npj: 超导体中的拓扑电子态的预言

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寻找可以实现拓扑超导的材料是当前研究的热点。过去科学家们发现可通过超导体和拓扑材料的界面来实现拓扑超导。然而大多数拓扑材料需要加压掺杂等方式来诱导或增强超导性，导致实验上很难基于这类材料来实现拓扑超导。这样寻找一个高质量的单晶样品同时具有较高的超导转变温度和拓扑性质成为当下一个迫切的任务。本研究基于第一性原理计算和实验测量发现HfRuP家族这类材料不仅具有很高的超导转变温度，同时具有拓扑性：HfRuP属于第二类外尔半金属相，而ZrRuAs，ZrRuP和HfRuAs属于拓扑晶体绝缘体相。

来自中国科学院物理研究所的翁红明和王志俊研究员领导的理论计算团队，通过第一性原理计算，发现了HfRuP家族具有拓扑非平庸电子结构。根据他们的理论发现，物理研究所的实验团队对这类材料进行了进一步地物性研究。其中石友国研究员领导的材料生长团队成功制备了高质量的HfRuP和ZrRuAs单晶样品，并研究了其磁化率和电阻随温度变化的规律，发现其在超导转变温度后表现出迈斯纳效应和零电阻特点，证明了这类材料确实具有超导电性。钱天和丁洪研究员领导的角分辨光电子谱团队测量了他们的能带结构，其结果与理论计算的电子结构吻合的相当好。利用这些独特的电子结构，三维拓扑超导可能通过将超导体和外尔半金属相结合的HfRuP来实现。此外，拓扑晶体绝缘体ZrRuAs、ZrRuP或HfRuAs也可能用来实现拓扑镜面超导。与过去预言的需要压力/掺杂来诱发/增强超导电性的拓扑超导材料相比，HfRuP家族的单晶样品是具有较高超导转变温度的本征超导体，为拓扑超导的研究提供了一个非常好的实验平台。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 121 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Topological electronic states in HfRuP family superconductors

Yuting Qian, Simin Nie, Changjiang Yi, Lingyuan Kong, Chen Fang, Tian Qian, Hong Ding, Youguo Shi,Zhijun Wang, Hongming Weng & Zhong Fang 

Based on the first-principles calculations and experimental measurements, we report that the hexagonal phase of ternary transition metal pnictides TT’X (T=Zr, Hf; T’=Ru; X=P, As), which are well-known noncentrosymmetric superconductors with relatively high transition temperatures, host nontrivial bulk topology. Before the superconducting phase transition, we find that HfRuP belongs to a Weyl semimetal phase with 12 pairs of type-II Weyl points, while ZrRuAs, ZrRuP and HfRuAs belong to a topological crystalline insulating phase with trivial Fu-Kane Z2 indices but nontrivial mirror Chern numbers. High-quality single crystal samples of the noncentrosymmetric superconductors with these two different topological states have been obtained and the superconductivity is verified experimentally. The wide-range band structures of ZrRuAs have been identified by ARPES and reproduced by theoretical calculations. Combined with intrinsic superconductivity, the nontrivial topology of the normal state may generate unconventional superconductivity in both bulk and surfaces. Our findings could largely inspire the experimental searching for possible topological superconductivity in these compounds.

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