具有籠目晶格的量子材料因其能帶結(jié)構(gòu)中包含平帶、狄拉克點、范霍夫奇點等特征而備受關(guān)注。近期,人們在實驗上合成了釩基籠目金屬體系AV3Sb5(A?= K、Rb、Cs)并觀察到超導(dǎo)電性、手性電荷序、配對密度波、反常霍爾效應(yīng)等豐富物理現(xiàn)象,吸引了大量研究并成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。在探索與AV3Sb5同結(jié)構(gòu)的籠目結(jié)構(gòu)量子材料過程中,浙江大學(xué)曹光旱團隊經(jīng)過大量實驗,率先制備出新型鉻基籠目結(jié)構(gòu)CsCr3Sb5單晶,通過詳細測試電阻率、磁化率、比熱以及低溫晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其在TN≈55K發(fā)生長程反鐵磁序并伴隨電荷密度波的形成,電輸運呈現(xiàn)“壞金屬”特性。與AV3Sb5相比,CsCr3Sb5的電子關(guān)聯(lián)明顯增強,這為研究籠目晶格的強關(guān)聯(lián)物理提供了嶄新的材料平臺,其常壓下的磁有序形式以及能否通過壓力驅(qū)動磁性量子臨界點進而實現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)成為最受關(guān)注的問題。然后,由于CsCr3Sb5單晶樣品極薄、易碎、且產(chǎn)量少等特點,從實驗上確定常壓下的磁有序和精確測量高壓下的物性演化非常困難。最終,曹光旱團隊與中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的程金光團隊和周睿團隊合作,借助綜合極端條件實驗裝置(SECUF)的獨特實驗技術(shù),成功克服上述困難并率先在壓力驅(qū)動的磁性量子臨界點附近觀察到非常規(guī)超導(dǎo)電性,助力了新型籠目鉻基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。
由于CsCr3Sb5單晶累加起來總質(zhì)量不到0.1 mg,常規(guī)的譜學(xué)測量很難表征其常壓下的磁有序性質(zhì)。物理所懷柔研究部HX-02組的申沁鑫、羅軍、楊杰和周睿,利用SECUF-A6實驗站提供的全超導(dǎo)磁體強場核磁共振系統(tǒng),在25T的強磁場下進行了長時間的123Sb核磁共振譜測量,如圖1所示,發(fā)現(xiàn)其譜重在TN≈55K以下隨溫度降低而急劇減小,這表明譜型發(fā)生了很大改變,同時還可能存在磁漲落導(dǎo)致的自旋-自旋弛豫時間減小,這是典型的磁相變特征。此外,123Sb核磁共振譜在低溫下還劈裂成兩個很寬的峰,直接提供了反鐵磁序存在的譜學(xué)證據(jù)。這些結(jié)果證明CsCr3Sb5是一個具有長程反鐵磁序的強關(guān)聯(lián)金屬體系。相較于普通的核磁共振測量系統(tǒng),A6實驗站的25T強磁場可將測量效率提高10倍以上,這對于成功測量如此少量的單晶樣品發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
由于CsCr3Sb5單晶的厚度僅~ 20μm且容易碎裂,高壓物性測試難度很大。物理所懷柔研究部HX-EX6組的劉子儀、楊芃燾、王鉑森和程金光,利用SECUF-A2實驗站提供的大腔體六面砧高壓低溫物性測量系統(tǒng),充分發(fā)揮其樣品空間大、靜水壓好的優(yōu)勢,詳細測試了CsCr3Sb5單晶在0-12GPa范圍內(nèi)的電阻率和交流磁化率,從而精確跟蹤了反鐵磁序和超導(dǎo)電性隨加壓的演化過程。如圖2所示,隨著壓力(P)升高,常壓下單一的反鐵磁序(TN)逐漸演變?yōu)閮蓚€連續(xù)的轉(zhuǎn)變(T1和T2),壓力下呈現(xiàn)出密度波轉(zhuǎn)變的特征并逐漸被壓力所抑制。當(dāng)P升高至~3.65GPa時,低溫下觀察到超導(dǎo)態(tài)和密度波共存的現(xiàn)象;而在4 ~ 8GPa范圍內(nèi)電輸運性質(zhì)則呈現(xiàn)清晰的“零電阻”超導(dǎo)特征。高壓下的交流磁化率測試顯示出明顯抗磁信號,從而確認壓力下出現(xiàn)的超導(dǎo)態(tài)為本征的體超導(dǎo)?;谏鲜龈邏簻y量結(jié)果,可以繪制出CsCr3Sb5單晶的溫度-壓力相圖。如圖2d所示,CsCr3Sb5在3.65~8GPa的壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)出圓拱形超導(dǎo)相圖,在磁有序消失的臨界壓力Pc≈4.2GPa,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達到最高Tc?~ 6.4 K,上臨界場μ0Hc2(0)亦達到最大值14.34T,這超過泡利順磁極限μ0Hp?= 1.84Tc?= 11.78T。當(dāng)壓力超過10GPa后,超導(dǎo)電性消失。對電阻率數(shù)據(jù)的分析顯示,Pc附近正常態(tài)呈現(xiàn)非費米液體行為和電子有效質(zhì)量發(fā)散的量子臨界特征,與鐵基、CrAs和MnP等非常規(guī)超導(dǎo)體的相圖非常相似,這意味著CsCr3Sb5壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)態(tài)很可能具有非常規(guī)配對機制。
相關(guān)結(jié)果以“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”為題于8月28日發(fā)表在Nature上,https://www.nature.com/articles/s41586-024-07761-x。浙江大學(xué)劉藝博士、物理所劉子儀副研究員(超導(dǎo)重點實驗室SC4組)、杭州師范大學(xué)鮑金科副教授為論文共同第一作者,浙江大學(xué)曹光旱教授、物理所程金光研究員和周睿特聘研究員為論文共同通訊作者。此外,物理所SECUF-A2(六面砧高壓實驗站)的王鉑森副研究員、楊芃燾副主任工程師,SECUF-A6(高場核磁共振實驗站)的楊杰副研究員、羅軍副研究員、申沁鑫博士研究生等參與了本工作,并得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院B類先導(dǎo)專項和青促會優(yōu)秀會員等項目的支持。SECUF-A6實驗站的高場全超導(dǎo)磁體由中國科學(xué)院電工研究所王秋良院士團隊聯(lián)合研制。
SECUF是國家“十二五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,已建成國際先進的集極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等綜合極端條件為一體的用戶實驗裝置,可極大提升我國在物質(zhì)科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究綜合實力。SECUF于2017年開始動工,2023年初全面投入試運行,20個實驗站對國內(nèi)外用戶開放。SECUF的課題征集與評審均通過中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施共享服務(wù)平臺(http://jpspopfiles.com)進行,每年3月和9月各開放一輪用戶課題的集中征集。
[1] Y. Liu, Z. Y. Liu, J. K. Bao, P. T. Yang, L. W. Ji, S. Q. Wu, Q. X. Shen, J. Luo, J. Yang, J. Y. Liu, C. C. Xu, W. Z. Yang, W. L. Chai, J. Y. Lu, C. C. Liu, B. S. Wang, H. Jiang, Q. Tao, Z. Ren, X. F. Xu, C. Cao, Z. A. Xu, R. Zhou, J.-G. Cheng, G.-H. Cao, “Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”;?Nature?(2024), https://www.nature.com/articles/s41586-024-07761-x.

??圖1. CsCr3Sb5單晶的高場核磁共振測量結(jié)果以及反鐵磁序的確認

圖2. CsCr3Sb5中壓力誘導(dǎo)的非常規(guī)超導(dǎo)電性