Ni掺杂IrTe2中类电荷密度波型结构相变及超导性质研究

Spin-orbit coupling(SOC)is the essence of many exotic quantum phenomena in condensed matter physics. The element Ir is with strong SOC and its compounds IrTe2 has a special charge density wave (CDW)-like structural phase transition. The structural phase transition of IrTe2 competes with the superconductivity. However, the mechanism of the structural phase transition is still unclear. Recently, theoretical work suggests that the structural phase transition has no relationship with CDW which is induced by Fermi surface nesting, but is driven by the Ir dimerization and bonding. The theoretical work also indicates that SOC destabilizes the dimerized state. It is a good idea to verify the theoretical result by tuning the strength of SOC. In our previous job, we have found that Ni atoms with weak SOC could substitute Ir atoms with strong SOC equably. The phase transition temperature shows anomalously no monotonic behavior with increasing Ni concentration. Although Ni element is a kind of ferromagnetic element, Ni doped IrTe2 still shows superconductivity with some special doping concentration. In our program, we plane to prepare two kinds of Ni doped IrTe2 with substitution doping and Van der Waals gap doping, respectively, then study the dependence of phase transition and superconductivity on doping concentration and doping position, determine the influence of the strength of SOC on the structural phase transition, verify the theoretical modle, finally. Another target is to study the relationship between superconductivity and magnetic moment of Ni atoms, then understand its mechanism.

自旋轨道耦合（SOC）是凝聚态体系中很多奇特量子现象背后的核心。5d元素铱SOC极强，其层状硫族化合物IrTe2具有一种独特的类电荷密度波（CDW）型原子和电子结构相变，该相变与超导共存和竞争，但相变机制仍悬而未决。最新的理论结果指出此结构相变与通常由费米面嵌套引起的CDW机制无关，而是起源于Ir原子的复杂二聚化，且Ir原子的强SOC不利于该二聚化的稳定。对理论的检验需要通过实验调节体系的SOC强度。申请人在前期研究中发现：SOC很小的Ni可均匀替换Ir，且体系相变温度随Ni浓度的升高出现反常的非单调行为；Ni虽是磁性元素，在一定浓度下Ni掺杂的IrTe2仍能出现超导。本项目中，我们计划制备替换和插层两种Ni掺杂IrTe2单晶样品，系统研究结构相变和超导对掺杂浓度和掺杂位置的依赖关系，确定SOC的强度对结构相变的影响，甄别理论模型；研究超导态和Ni磁矩是否存在间的关联，理解其背后机制。

自旋轨道耦合在凝聚态物理领域扮演着重要的角色。5d元素Ir的自旋轨道耦合极强，其化合物IrTe2具有一种类CDW型结构相变，该相变与超导共存和竞争，但相变机制仍悬而未决。探讨其机制需要通过实验调节体系的SOC强度。前期，我们在Ir1-xNixTe2多晶体系当中发现SOC比较小的Ni元素替换Ir以后，体系相变温度随Ni掺杂量的增加出现反常的非单调性行为，且Ni虽是磁性元素，在一定浓度下Ni掺杂的IrTe2仍能出现超导。要进一步挖掘其背后的物理机制，必须生长Ni掺杂的Ir1-xNixTe2单晶。我们制备出了一系列Ni替位掺杂的IrTe2单晶(Ir1-xNixTe2,x=0.01~0.9)。利用输运测量和磁性测量研究了Ni掺杂浓度对IrTe2单晶的结构相变温度的影响，发现随着Ni掺杂含量的增加，其类CDW相变温度逐渐降低，相变逐渐被压制而后消失，随着相变的消失，超导逐渐出现，在x=0.1, 0.2范围内超导最强，此超导具有各向异性，但输运测量未发现其二维超导特性。即在Ni掺杂的IrTe2体系当中，超导和类CDW相变仍然存在竞争和共存的关系。磁性测量结合第一性原理计算都证实Ni掺杂的IrTe2其为顺磁性，无铁磁性出现的迹象。此外，我们通过水热釜加热的方法在IrTe2范德瓦尔斯层间插入了酒石酸钠钾并在此插层晶体当中发现了一个新的超导相，此超导相的转变温度与报道中通过胶带粘撕方法得到的IrTe2薄层的超导转变温度相同。经过第一性原理计算证实在Fe, Co, Ni, Mn几种3d元素中，只有Mn的掺杂能够引入磁性，但是实验证实，在IrTe2的单晶体系当中Mn元素很难掺杂进入晶格。在此基金的支持下，我们还在相关领域进行了一系列研究工作：利用ARPES观测到了Bi2-xInxTe3从拓扑非平庸相到拓扑平庸相的转变; 证实了拓扑超导体NbxBi2Se3的超导来源于Nb原子的范德瓦尔斯层掺杂；通过XPS等测试手段证实反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4的生长机理为插层生长；证实了拓扑超导体PdxBi2Te3的超导为向列性超导；合成了铁基超导体ThFe1-xCoxAsN并发现随着Co掺杂含量的增加，其由超导体逐渐转变为顺磁体；绘制了铁基超导体ThFe1-xNixAsN的超导相图。