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物理所等发现高压诱导的磁性量子临界点和MnP超导电性

物理所等发现高压诱导的磁性量子临界点和MnP超导电性

  近年来的大量研究表明,量子临界性是强关联电子体系中诸多反常物理现象的共通性特征。对于目前已知的很多非常规超导体系,包括重费米子、铜基和铁基超导体,它们的超导相图Tsc(δ=调控参量)都可以在反铁磁量子临界点的框架下得到统一的理解,即超导的出现往往伴随着反铁磁序的消失,而且圆拱状Tsc(δ)的最佳Tscmax往往处在量子临界点δc附近,这意味着超导配对机制可能与反铁磁涨落具有紧密联系。因此,实现反铁磁量子临界点成为探索新的非常规超导体的重要途径。

  化学掺杂和施加高压是实现反铁磁量子临界点经常采用的调控手段。相对于化学掺杂,高压调控具有不引入晶格无序和实现精细调控的特点。最近,在通过高压调控发现第一个Cr基化合物超导体CrAs的工作基础上【Nature Communications 5, 5508 (2014)】,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件物理实验室程金光小组、雒建林小组和日本东京大学Yoshiya Uwatoko小组合作,首次在MnP中实现了高压诱导的磁性量子临界点并观察到超导电性,从而实现了Mn基化合物的第一个超导体,幸运28这是3d过渡族金属化合物超导体探索的一个重要进展,打破了人们之前普遍认为含Mn的化合物不超导的认识。这一工作发表在Physical Review Letters 114, 117001 (2015),并被选为 “Editors’ Suggestion”。同时,美国阿贡实验室的Michael R. Norman专门在Physics 8, 24 (2015)撰文(Viewpoint),对上述工作进行评述,他指出CrAs和MnP中超导的发现为研究螺旋磁性和超导的关系提供了重要的模型体系,而目前在这方面的研究是非常少的。

  常压下,MnP 具有与CrAs类似的正交晶体结构,随着温度降低经历了两个磁相变:首先,在TC=291 K 附近发生从顺磁到铁磁转变,然后在Ts=52 K从铁磁态转变为双螺旋反铁磁结构。在Ts < T < TC 的铁磁区,Mn3+磁矩沿着b轴平行排列,在低温时磁矩达到~1.3μB/Mn;当T < Ts 时,自旋在ab 平面内旋转,螺旋传播方向沿着c 轴,类似于CrAs,但是螺旋的周期远大于CrAs。通过采用大腔体立方六面砧压腔和对顶砧式压腔,在很宽的静水压范围内测量了MnP 高压下的电阻率和交流磁化率,发现双螺旋反铁磁序Ts在~1GPa已被完全抑制掉,而铁磁序TC随着压力增加也逐渐降低,在3-4GPa转变成一种新的反铁磁序,最终在PC≈8 GPa将反铁磁序完全抑制掉,在反铁磁量子临界点附近出现了Tsc≈1K的超导电性。如图(a)所示,MnP的温度-压强相图跟CrAs及前面提及的非常规超导体系有非常相似之处,即超导出现在反铁磁量子临界点附近。而且,MnP正常态电阻率在PC附近表现出非费米液体行为和电子有效质量的大幅度提高。这些结果表明MnP极可能具有非常规超导电性,反铁磁量子涨落是超导配对原因。

  该工作得到国家自然科学基金委员会、科技部和中科院B类先导专项的支持。

 

     图(a) MnP的温度-压强相图。高压首先将铁磁(FM)序压制,然后在3-幸运284GPa将铁磁序改变为反铁磁序(AFM),最后在Pc≈8GPa将长程磁有序完全抑制,同时低温出现超导电性(SC)。AFM序是否与螺旋反铁磁序(Screw)类似有待进一步实验研究。(b, c)通过对正常态电阻率在低温极限下利用ρ(T)=ρ0+AT2拟合获得的剩余电阻率ρ0和电阻率系数A随压力的变化,它们在Pc附近均表现出显著增强。