大阪大学研究生院基础工学研究科高桥英史讲师、佐佐木友博硕士生、石渡晋太郎教授等组成的研究团队与名古屋大学研究生院理学研究科的中埜彰俊助教、冈山大学学术研究院环境生命自然科学学域的秋叶和人助教、小林达生教授等共同发布研究成果称，成功合成出了一种具有拓扑能带结构，并表现出类似于铁电相变的极性-非极性结构相变的极为罕见的超导材料。这是在世界上首次发现在由锶、金、铋组成的拓扑半金属中，同时实现类似于铁电相变的极性结构-非极性结构相变和超导性质的材料。石渡教授表示：“虽然寻找新型超导的工作会伴随许多失败，但也具备可以推动阐明自然基本原理的纯物理学方面的魅力，以及能够亲眼见证自然多样性和意外性等多种魅力”。相关成果刊登于npj Quantum Materials上。
图1.SrAuBi的（a）晶体结构和（b）电阻率的超导转变。在极性结构中，由于Bi的强自旋轨道相互作用，Rashba自旋分裂能带结构得以实现。(供图：大阪大学）
在BCS理论描述的常规型s波超导中，超导电子对（库珀对）以声子为媒介形成，且该电子对具有空间反演对称性。因此，破坏这些对称性的极性通常与s波超导不相容。另一方面，在空间反演对称性破缺的物质中实现的超导有望成为非常规类型。特别是，在空间反演对称性破缺的体系中，已有研究提出单重态和三重态混合的超导电子对存在。此外，在能带结构中具有非平凡几何学特性的拓扑物质中，因其独特的表面状态导致表面超导的可能性也被指出，对拓扑物质中超导性的探索正在积极进行。
研究团队成功合成了由锶（Sr）、金（Au）和铋（Bi）组成的半金属SrAuBi单晶，并在214K观察到极性-非极性结构相变，在2.4K观察到超导转变。
SrAuBi具有由Sr2+构成的三角晶格层和由Au-Bi构成的蜂窝状晶格层堆叠的结构，通过蜂窝状晶格层在214K以下发生畸变，具有空间反演对称性破缺的极性结构。因此，SrAuBi可以说是一种极其罕见的尽管具有极性结构却表现出超导性的体系。
为了详细研究该物质的超导特性，研究人员测量了当在面内和面间方向施加外部磁场至0.2K左右的极低温度时超导转变温度的变化。结果表明，在面间磁场中可以实现超过常规型超导体预期的泡利极限的5T超导临界磁场。此外，根据第一性原理计算，反映了来自Bi的p轨道的强自旋轨道相互作用和极性结构，在费米能级附近的能带结构中实现了Rashba自旋分裂，并揭示了多个狄拉克点的存在。
此外，临界电流的晶体厚度依赖性偏离了体超导的行为，表明了表面超导的存在。高于泡利极限的临界磁场可能反映了拓扑表面态的超导可能性，及强自旋轨道相互作用导致的Rashba能带结构，SrAuBi有望成为表现出新的非常规超导性的体系。
该体系中的超导性质来源于具有较大自旋轨道相互作用的铋和金的电子态，并且具备表现出新型磁场响应的超导自旋电子学的可能性。此外，还有望实现源自极性结构的拓扑超导性及作为量子计算机元件的可能性。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：npj Quantum Materials
论文：Superconductivity in a ferroelectric-like topological semimetal SrAuBi
DOI：doi.org/10.1038/s41535-023-00612-4
