大阪大學研究生院基礎工學研究科高橋英史講師、佐佐木友博碩士生、石渡晉太郎教授等組成的研究團隊與名古屋大學研究生院理學研究科的中埜彰俊助教、岡山大學學術研究院環境生命自然科學學域的秋葉和人助教、小林達生教授等共同發布研究成果稱，成功合成出了一種具有拓撲能帶結構，并表現出類似于鐵電相變的極性-非極性結構相變的極為罕見的超導材料。這是在世界上首次發現在由鍶、金、鉍組成的拓撲半金屬中，同時實現類似于鐵電相變的極性結構-非極性結構相變和超導性質的材料。石渡教授表示：“雖然尋找新型超導的工作會伴隨許多失敗，但也具備可以推動闡明自然基本原理的純物理學方面的魅力，以及能夠親眼見證自然多樣性和意外性等多種魅力”。相關成果刊登于npj Quantum Materials上。
圖1.SrAuBi的（a）晶體結構和（b）電阻率的超導轉變。在極性結構中，由于Bi的強自旋軌道相互作用，Rashba自旋分裂能帶結構得以實現。(供圖：大阪大學）
在BCS理論描述的常規型s波超導中，超導電子對（庫珀對）以聲子為媒介形成，且該電子對具有空間反演對稱性。因此，破壞這些對稱性的極性通常與s波超導不相容。另一方面，在空間反演對稱性破缺的物質中實現的超導有望成為非常規類型。特別是，在空間反演對稱性破缺的體系中，已有研究提出單重態和三重態混合的超導電子對存在。此外，在能帶結構中具有非平凡幾何學特性的拓撲物質中，因其獨特的表面狀態導致表面超導的可能性也被指出，對拓撲物質中超導性的探索正在積極進行。
研究團隊成功合成了由鍶（Sr）、金（Au）和鉍（Bi）組成的半金屬SrAuBi單晶，并在214K觀察到極性-非極性結構相變，在2.4K觀察到超導轉變。
SrAuBi具有由Sr2+構成的三角晶格層和由Au-Bi構成的蜂窩狀晶格層堆疊的結構，通過蜂窩狀晶格層在214K以下發生畸變，具有空間反演對稱性破缺的極性結構。因此，SrAuBi可以說是一種極其罕見的盡管具有極性結構卻表現出超導性的體系。
為了詳細研究該物質的超導特性，研究人員測量了當在面內和面間方向施加外部磁場至0.2K左右的極低溫度時超導轉變溫度的變化。結果表明，在面間磁場中可以實現超過常規型超導體預期的泡利極限的5T超導臨界磁場。此外，根據第一性原理計算，反映了來自Bi的p軌道的強自旋軌道相互作用和極性結構，在費米能級附近的能帶結構中實現了Rashba自旋分裂，并揭示了多個狄拉克點的存在。
此外，臨界電流的晶體厚度依賴性偏離了體超導的行為，表明了表面超導的存在。高于泡利極限的臨界磁場可能反映了拓撲表面態的超導可能性，及強自旋軌道相互作用導致的Rashba能帶結構，SrAuBi有望成為表現出新的非常規超導性的體系。
該體系中的超導性質來源于具有較大自旋軌道相互作用的鉍和金的電子態，并且具備表現出新型磁場響應的超導自旋電子學的可能性。此外，還有望實現源自極性結構的拓撲超導性及作為量子計算機元件的可能性。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文信息】
雜志：npj Quantum Materials
論文：Superconductivity in a ferroelectric-like topological semimetal SrAuBi
DOI：doi.org/10.1038/s41535-023-00612-4
