GIST与西江大学联合研究团队，揭示高压相物质结构变化原理

by Min Chanki

Published 26 Jun.2025 09:46(KST)

Updated 26 Jul.2025 00:55(KST)

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（自左起）GIST物理·光科学系教授 Lee Jongseok、博士 Joo Hwiin。

光州科学技术院（GIST）物理·光科学系Lee Jongseok教授研究团队与西江大学共同开展研究，并于26日表示，双方阐明了被称为“范德瓦尔斯外尔半金属”的二维材料（WTe₂、MoTe₂）在高压环境下其结构和电子性质如何发生变化的机制。

本次研究通过实验方式证明，在高压条件下，拓扑物质的结构相变与超导现象之间存在紧密联系，因此备受关注。

范德瓦尔斯外尔半金属（Van der Waals Weyl Semimetal）是一类由原子层通过范德瓦尔斯力松散耦合而成的特殊二维金属材料，其中的电子呈现出所谓“外尔（Weyl）态”这一独特的量子性质。典型代表材料包括WTe₂（碲化钨）和MoTe₂（碲化钼），由于其不对称结构和强自旋–轨道耦合，这些材料会表现出异常霍尔效应、巨大磁阻、费米弧（Fermi arc）等一系列特殊现象。MoTe₂还能随温度变化在拓扑金属与超导体之间转变，因此在下一代电子器件和量子技术领域备受瞩目。

研究团队定量证明，当施加压力时，范德瓦尔斯材料的结构在层与层之间（inter-layer）以及层内部（intra-layer）会以不同方式发生变化，并提出了能够解释这一现象的新结构演变模型，从而提升了该研究的学术价值。预计这一成果不仅可用于高压物质研究，也将成为纳米与量子材料开发的重要理论基础。

范德瓦尔斯材料由一层层薄原子层堆叠而成，层间结合极弱，因此兼具二维材料特性和强各向异性。在此基础上叠加外尔半金属性质后，当电流通过时，会出现仿佛无质量粒子般行为的“外尔费米子（Weyl fermion）”，在物理学上具有极高研究价值。

不同压强下 WTe2 结构变化的概述。

本次研究的核心在于，通过实验证明范德瓦尔斯外尔半金属的结构会随压力分阶段变化，而这种结构相变与电子态变化及超导性的出现直接相关。研究发现，在约2.5GPa压力下，WTe₂会从Td（正交晶系）结构转变为1T′（单斜晶系）结构，与此同时，其磁阻急剧下降并出现超导性。

这些结果通过拉曼光谱以及光泵–探测（pump-probe）光谱测量得到清晰观测，证实了结构相变、电子性质变化与超导性出现三者之间存在直接关联。

另一项重要发现是，随着压力增加，结构相变会分两个阶段发生。在较低压力下，首先发生的是层间结构变化；随后在约10GPa以上的高压环境中，层内原子排布发生畸变，结构由1T′（单斜晶系）转变为1T″（三斜晶系）。

这一高压相变通过二次谐波（SHG）信号的突变、拉曼模消失以及光学反射率变化等实验现象得到证实，并与此前报道的电荷载流子浓度发生变化的压力点精确吻合，为揭示高压环境下结构相变复杂的多阶段机制提供了关键线索。

Lee Jongseok教授表示：“本研究通过实验确认了结构相变、拓扑状态变化与超导性出现之间的关联，并提出随压力变化的结构演变模型，从而为高压研究奠定了新的理论基础。”他还表示：“本研究揭示了在二维拓扑物质中结构与电子特性紧密耦合的事实，今后有望成为在自旋电子学与量子计算器件中开发拓扑调控技术的重要起点。”