摘要
上世纪八十年代量子霍尔效应的发现掀起了凝聚态物理研究的新热潮。寻找和研究新的量子态成为了凝聚态物理研究的重要方向。随着对整数以及分数量子霍尔效应的不断研究，研究者们最终通过引入数学上拓扑的概念对这个新的量子态进行了解释。随后，人们试图寻找在零场下具有量子霍尔效应特性的量子态。紧接着，通过理论计算、新材料制备以及各种测试手段证实存在这种类似于量子霍尔效应的新量子态，即拓扑绝缘体态。对拓扑绝缘体的研究使得人们认识到除了已有的物态分类标准之外，拓扑是一个可以对量子态分类的新标准。运用拓扑不变量可以将材料分为拓扑平庸和非平庸的材料（拓扑材料）。到目前为止，拓扑材料包括:拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体。这些拓扑材料因其拓扑保护的非平庸的能带结构通常具有一些奇异的物理特性。例如，手性反常导致的负磁阻效应、低温强磁场下的电阻率上翘行为、极大磁电阻行为、拓扑非平庸的Berry相位、高的载流子迁移率、非常规的超导配对等。对这些材料的深入研究将有助于新型电子器件的发展，特别是有助于自旋电子器件和量子计算器件的研究和开发。 在本论文中，我们分别系统的研究了ZrTe低温下的电学性质和磁学性质、各种金属薄膜在WC单晶表面诱导的界面超导电性以及金属Ag膜在外尔半金属TaAs单晶表面诱导的超导的超导电性。其中，WC和ZrTe被理论预言为异于二重简并的Weyl半金属和四重简并的Dirac半金属的具有三重简并点的拓扑半金属材料。WC是目前被实验所证实的三重简并点离费米能级最近的拓扑半金属材料。其是一个超硬材料，被广泛应用于高压设备中。我们通过磁控溅射的方法在WC的表面制备了各种磁性和非磁性薄膜诱导了界面超导。研究发现该超导可能具有非常规的超导电性。然而，ZrTe由于单晶难以制备且不易于角分辨光电子能谱的测试截至目前仍旧没有被细致的研究。这里我们制备了高质量的ZrTe单晶样品并进行了第一次较全面的输运实验和理论相结合的研究。TaAs是第一个被实验所证实的Weyl半金属材料。同样，我们采用磁控溅射的方法在TaAs单晶表面生长了金属Ag的薄膜诱导了超导电性。研究发现该界面超导可能具有拓扑性质。 本论文包括以下四章: 在第一章中，我们对拓扑材料的研究做了比较简要的介绍。其主要包括:人们将数学中拓扑的概念引入物理;根据拓扑将物理上的量子态进行新的分类以及实验研究。 在第二章中，我们首次生长了ZrTe单晶样品并通过输运测试、磁性测量以及理论计算系统的研究了三重简并半金属ZrTe的物理特性。转角磁阻、霍尔和SdH振荡测试表明ZrTe是一个具有复杂三维费米面的系统，其输运性质主要是由空穴型的载流子所主导。结合理论研究我们发现ZrTe中有四条能带穿过费米能级，其中两条是空穴型的，两条是电子型的。磁化率测试表明ZrTe具有很强的各项异性的磁性。在z轴方向是顺磁的，在xy面内沿着x轴和y轴是抗磁的。对于这个奇异的磁化率我们目前仍旧无法从实验和理论上得到合理的解释。研究ZrTe奇异的磁化率将来更加深入的理论和实验工作依然是非常有必要和有意义的。 在第三章中，我们采用磁控溅射的方法在拓扑半金属WC的单晶表面制备了磁性和非磁性的薄膜，诱导了转变温度高达11.5K的界面超导。通过软接触点接触测试技术我们对该界面超导的超导电性进行了探测和研究。研究发现该界面超导对磁性不敏感，表明其可能具有自旋三态配对的成分。我们认为金属膜和单晶表面间的耦合作用可能是超导出现的主要原因。然而，具体的超导机理还需要进一步的理论和实验工作来解决。 在第四章中，我们同样采用磁控溅射的方法在Weyl半金属TaAs的单晶表面制备了金属Ag的薄膜，实现了Tc高达3.15K的界面超导。通过对样品尺寸加工处理我们得到了电阻较大的TaAs样品并进行了四电极测试。由于Ag膜与单晶表面的耦合不好导致电阻并没有到零。同时，通过软接触点接触测试我们发现所得的点接触谱是具有两个电导dip的零偏压电导峰。我们认为该界面超导可能具有拓扑超导的特性。该工作以及WC的工作为拓扑超导的研究以及其在拓扑量子计算上的应用提供了新的途径。 在本文的最后一部分中，我们对以上研究做了总结和展望。总结了研究成果和意义，展望了该工作今后的进一步深入研究。
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