近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)张振宇教授、崔萍教授研究团队在理论探索新型高温超导体系的研究中取得重要进展，基于“等价价电子（isovalency）”法则，预言低维稳定的CoSb层状结构是实现高温超导的新材料体系。该研究成果以“Exploring high transition temperature superconductivity in a freestanding or SrTiO3-supported CoSb monolayer”为题于2020年1月17日在线发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 124, 027002 (2020)]。第一作者是ICQD中心博士后丁文隽。
自铜基和铁基超导发现以来，寻找新的高温超导体系及阐明相应的微观机理是凝聚态物理领域的研究重心。特别值得关注的是，当体态为层状结构的FeSe的一个单层生长在SrTiO3（STO）衬底上时，其超导转变温度可从体态的几Kelvin提高到几十Kelvin。这一重要发现启发领域寻找新的层状材料并实现高温超导。以往的研究集中于体态具有层状结构的材料体系，然而至今尚未发现铜基与铁基之外新的高温超导体。
该团队基于前期对二维材料的研究，将高温超导体系的搜寻拓展到体相为非层状的材料空间。在具体研究中，利用“等价价电子”法则，即通过保持与FeSe相同的价电子数而调控其他物理因素（如d电子数目、磁性、电子关联效应等），发现了体相非层状但二维稳定的CoSb结构。具体计算表明，CoSb体态为非层状的六方相结构（图1(a)），但其单层却是与FeSe单层等构的四方相（图1(b)），并且两者具有非常相近的电子结构和相当的超导特性（图1(c)-(d)）。进一步研究证明CoSb单层也能稳定生长在STO衬底上（图1(e)）并伴有可观的层间电荷转移，从而在铜基与铁基超导体之外提供了一个非常有潜力的新的高温超导体系。同时，由于过渡金属元素的不同，CoSb/STO与FeSe/STO展现出截然不同的磁学性质，为进一步阐明此类体系中的微观超导机理提供了新视角。此外，Sb的引入也加强了体系的自旋轨道耦合效应，为实现二维拓扑超导提供了新的材料平台[Nature Physics, 15, 796 (2019)]。
图例：(a) CoSb体态的原子结构；(b-d) CoSb单层的原子结构、电子结构及其电声耦合；(e) CoSb/STO的原子结构与电子结构。
上述研究得到了安徽省、科技部、国家自然基金委和中国科学院的资助。
论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.027002