“超原子”基超导体Au6Te12Se8的物态调控研究取得进展

　　“超原子”(Superatomic)化合物由原子团簇通过范德华力或准共价键结合而成，团簇内原子之间由较强的化学键结合。与传统化合物相比，“超原子”基化合物中不同类型的化学键在晶体内周期性分布，为探索新物性提供了更多的自由度。已报道的“超原子”体系有富勒烯晶体、Co6Se8(PEt3)6等。但如何调控“超原子”间的相互作用和诱导新物性仍是一个有待研究的课题。2017年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A02组报道了首个全无机超原子超导体Au6Te12Se8，发现其具有准二维超导和BKT拓扑相变[Guo et al., Nat. Commun. 8, 871 (2017)]。最新的合作研究发现Au6Te12Se8具有“超原子”基的电荷密度波(S-CDW)和新颖的“反极化金属态” [Xing, et al., Phys. Rev. X, Accepted (2022)]。因此，蕴含多物态的化合物Au6Te12Se8是研究“超原子”基量子态演化的理想材料。

　　最近，A02组陈小龙团队的博士后陈旭（现就职于怀柔研究部）、应天平特聘研究员和郭建刚研究员等人合作，研究了Au6Te12Se8的结构与物性随外界压力的演化行为，揭示了不同于常规化合物的新颖物性。Au6Te12Se8的结构如图1所示，它是由立方“超原子”团簇通过层间范德华力和层内准共价键连接而成，每个立方体由6个Au、12个Te和8个Se组成，立方体沿b方向形成三倍周期的S-CDW。有趣的是，S-CDW被压力抑制的临界值约为0.1 GPa，它比传统的原子材料小1~2个数量级，是已报道化合物中的最小值，推测这是由“超原子”基团之间的准共价键对压力极为敏感所致。在较低压力下，Au6Te12Se8中S-CDW和超导表现为相互竞争的关系，当压力为大于3.0GPa时，SC-I被完全抑制。当压力大于7.3 GPa时，Au6Te12Se8发生了超导再进入现象(SC-II)，其最高超导临界温度升高至8.5 K。理论计算表明，在压力为10 GPa时，这些“超原子”基团发生了~1/3a和~1/6b的相对滑移，高压同步辐射实验证明晶胞参数b和c在压力下发生了突变，与理论计算结果相符，见图2。与此同时，Au6Te12Se8费米面的导电通道从a轴先转变到b轴，之后整个费米面发生二维到三维的转变，见图3插图。本工作揭示了“超原子”基化合物Au6Te12Se8的结构对压力极为敏感和超导再进入等物性，为理解“超原子”基的竞争序和集体激发行为提供了新的实验线索。相关研究成果以Superatomic-Charge-Density-Wave in Cluster-Assembled Au6Te12Se8 Superconductors为题，发表于Journal of the American Chemical Society, 144, 20915 (2022)，同时被选为该期的Inside Cover。

　　该工作得到了曲阜师范大学刘晓兵教授和陈欣教授、物理所张庆华副研究员、程金光研究员、清华大学谷林教授、高压科学研究中心缑慧阳研究员、鲁东大学泮丙营副教授、复旦大学李世燕教授、东京工业大学Hideo Hosono教授、北京同步辐射光源4W2高压线站李延春副研究员和杨栋亮副研究员等在实验和理论计算方面的支持。该工作得到了科技部(2018YFE0202601，2017YFA0304700和2021YFA1401800)，北京自然科学基金委(Z200005)和国家自然科学基金委(51922105，11804184和11974208)等的资助。


图1. 超原子化合物Au6Te12Se8的分级结构示意图，基本结构单元为Au6Te12Se8立方团簇，它们之间由范德华力和准共价键连接。


图2. 高压下Au6Te12Se8的结构演化规律。(a)理论预测压力为10 GPa时的结构演化，(b)压力为0 GPa和10 GPa时的结构演化，(c)同步辐射实验获得的晶胞参数。


图3. Au6Te12Se8的S-CDW和超导在不同压力区间下的相图，插图分别是压力为0 GPa、10 GPa和60 GPa时的费米面。