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      中國科學院物理研究所 SC9組供稿 第47期 2019年07月31日
      北京凝聚態物理國家研究中心
      鐵磁量子臨界點及其附近的超導相

        鐵磁和超導都是凝聚態物理的重要分支。早在上個世紀80年代,Appel和Fay兩位理論工作者就認為,無論是在鐵磁有序態里還是在順磁態里,鐵磁漲落都會導致p波自旋三重態超導的出現。這種超導態與常規的s波自旋單重態超導不同,包含更加豐富的物理。但是實驗進展非常緩慢,這是因為這種新奇超導態的出現需要滿足三個條件: 處于鐵磁有序態附近、高晶體質量和極低的溫度。目前確認的與鐵磁相關的超導體非常稀少。5f電子體系的UGe2在鐵磁有序態里出現超導(超導轉變溫度Tsc小于1K),證實了理論的預言。但是,一旦鐵磁有序態被抑制,超導并沒有出現。因此,人們對順磁態鐵磁漲落背景下的超導依然缺乏認識。

        不過,鐵磁漲落能引起超流已經被證實。超流與超導類似,都是由費米子配對凝聚引起的。3He中存在兩個超流相,即A相和B相。A相為p波ABM(Anderson-Brinkman-Morel)態, 3He原子對存在Sz = 1(↑↑)和Sz = -1(↓↓)兩個成分,能隙函數中存在點狀節點。B相為p波BW(Balian-Werthamer)態, 3He原子對存在Sz = 1(↑↑)、Sz = 0(1/\(\sqrt{2}\)(↑↑+↓↓))Sz = -1(↓↓)三個成分,能隙是各向同性的。眾多事實證明, 3He中的自旋三重態超流是由鐵磁漲落引起的。近年來,人們對3He超流相有了更進一步的認識:它們是拓撲非平凡的,A相與拓撲外爾半金屬類似,B相屬于DⅢ拓撲類。

        最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心鄭國慶研究組(SC9組)的博士研究生羅軍與物理所任志安研究員(SC10組),石友國研究員(EX10組)等人合作,利用核四極矩共振(NQR)測量發現,可對3d巡游電子體系的順磁鉻基化合物A2Cr3As3(A =堿金屬)進行調控。隨著堿金屬原子半徑的增大,系統逐漸向鐵磁量子臨界點趨近。他們的研究首次給出了鐵磁量子臨界點(QCP)附近的超導相圖。

        研究團隊測量了A2Cr3As3(A = Na,Na0.75K0.25, K, Rb)的自旋晶格弛豫率(1/T1)的溫度依賴性,從而得到了正常態磁漲落強度和超導態能隙對稱性的信息。他們發現從Na過度到Rb,鐵磁漲落逐漸增強,如圖1所示。即,隨著堿金屬半徑變大,系統逐漸靠近鐵磁QCP。他們發現這可歸因于Cr2-As2-Cr2鍵角α逐漸向90°靠攏從而增強了鐵磁相互作用。而當系統偏離QCP時,Tsc逐漸上升,在Na2Cr3As3處達到了8K。這種行為與反鐵磁QCP處Tsc為極大值形成鮮明的對比。此外,他們還研究了超導態的性質,發現1/T1Tsc之下快速下降且沒有相干峰,四個樣品的1/T1在特征溫度T* ≈ 0.6Tsc之下正比于T5,這說明A2Cr3As3家族的超導能隙中普遍存在點狀節點。

        這些實驗結果表明A2Cr3As3可能是超流3He的固態翻版。因此,這項成果架起了一座連接強關聯、非常規超導以及拓撲物理三大研究領域的橋梁。

        相關研究結果已經發表在Phys. Rev. Lett. 123, 047001 (2019)。

        該工作得到國家自然科學基金(11674377,11634015,11774399),科技部(2016YFA0300502,2017YFA0302901,2017YFA0302904)以及中科院青促會的支持。

      圖1:A2Cr3As3體系的相圖(上)、UGe2壓力下的相圖(中)以及鐵磁QCP附近的理論相圖(下)。Tsc代表超導轉變溫度,θ為表征磁漲落強度的物理量,是從對1/T1T數據進行擬合(1/T1T∝1/ (T +θ))得到的。θ越小,代表離鐵磁QCP越近。從Na到Rb,系統逐漸向鐵磁QCP靠近。
      圖2:(a)四個樣品1/T1隨溫度變化。箭頭代表Tsc(b)用Tsc處的數據歸一化后的1/T1,箭頭代表特征溫度T*,低于T*時1/T1正比于T5,表明能隙中存在點狀節點。
      下載附件>> PhysRevLett.123.047001 (2019).pdf
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