物理所發(fā)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)和更高的準(zhǔn)一維Cr基超導(dǎo)體

　　超導(dǎo)體具有零電阻效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)等物理特性，這使其在大電流、強(qiáng)磁場、微弱信號檢測等諸多基礎(chǔ)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前途和無與倫比的優(yōu)勢。對新超導(dǎo)材料的探索和高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究是當(dāng)前凝聚態(tài)物理中的重要研究方向。自從銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來，人們尋找新型高溫超導(dǎo)材料的目光更多的轉(zhuǎn)向了過渡元素化合物。對于3d元素Cr，長期以來僅在幾種二元合金中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)。一直到2014年，研究者們相繼在Cr2Re3B(Tc ~ 4.8 K)、CrAs(高壓下Tc ~ 2 K)和K2Cr3As3(以及Rb2Cr3As3和Cs2Cr3As3，Tc 分別為6.1 K、4.8 K、2.2 K)中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。其中K2Cr3As3體系由于具有準(zhǔn)一維的晶格結(jié)構(gòu)和可能的自旋三重態(tài)超導(dǎo)配對而引人關(guān)注。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室SC10組長期堅(jiān)持新型超導(dǎo)材料的探索研究，至今已發(fā)現(xiàn)二十多種新超導(dǎo)體。最近，該研究組的博士研究生穆青隔、劉通等人在研究員任治安的指導(dǎo)下，對Cr系的準(zhǔn)一維化合物進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們通過233型單晶脫K的方式制備了133型的KCr3As3單晶，同時觀察到較弱的超導(dǎo)信號。然后通過進(jìn)一步的優(yōu)化制備條件和低溫退火處理，得到了超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)接近100%的KCr3As3超導(dǎo)單晶，其超導(dǎo)Tc為5 K。很快，他們又發(fā)現(xiàn)了同為133結(jié)構(gòu)的RbCr3As3超導(dǎo)體，令人驚奇的是，該化合物的Tc上升至7.3 K，超過了以前發(fā)現(xiàn)的所有Cr系超導(dǎo)體。由于Rb離子比K離子半徑更大，該體系表現(xiàn)出的負(fù)化學(xué)壓力效應(yīng)與233系列超導(dǎo)體完全相反。另一方面，該133型超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)為中心對稱，空間群為P63/m (No. 176)，與非中心對稱的233型結(jié)構(gòu)不同。相比于空氣中極不穩(wěn)定的233型超導(dǎo)體，該133型新超導(dǎo)體在空氣中非常穩(wěn)定，甚至在水中浸泡多天后其超導(dǎo)也無退化，非常適合進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測量與物理研究。該133系列超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為準(zhǔn)一維超導(dǎo)電性的研究提供了新的平臺，相關(guān)研究成果已發(fā)表在Phys. Rev. B 96，140504(2017) 和 EPL 120，27006 (2017) (EDITOR'S CHOICE)上。

　　為了進(jìn)一步提高Cr系超導(dǎo)體的Tc，考慮到233結(jié)構(gòu)的正化學(xué)壓力效應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)又通過離子交換方法，用更小的Na離子替代K離子，成功制備了Na2Cr3As3單晶。Na2Cr3As3的晶體結(jié)構(gòu)屬于P-6m2 (No. 187) 空間群，相比于K2Cr3As3，晶格沿a軸方向有明顯收縮，約7.6%，沿c軸向僅收縮了約0.5%，表明離子半徑較小的Na+取代K+明顯增強(qiáng)了(Cr3As3)2-的鏈間耦合作用。電阻、磁化率以及比熱的測量表明Na2Cr3As3單晶的超導(dǎo)Tc為8.6 K，這是目前Cr基材料中最高超導(dǎo)溫度。該工作已發(fā)表在Physical Review Materials 2, 034803 (2018) 上。

　　以上相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、科技部“973”項(xiàng)目和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員基金的支持。

　　圖1. K2Cr3As3和 KCr3As3的晶體結(jié)構(gòu)對比

　　圖2. KCr3As3單晶退火前后的電阻溫度曲線所示超導(dǎo)轉(zhuǎn)變及與K2Cr3As3的對比

　　圖3. RbCr3As3單晶的電阻溫度曲線及與Rb2Cr3As3的對比

　　圖4. Na2Cr3As3單晶的電阻溫度曲線與上臨界場

　　圖5. 準(zhǔn)一維Cr系133和233結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體的超導(dǎo)Tc與鏈間距a的關(guān)系