發現新型結構和更高Tc的准一維Cr基超導體

最新 04-23

超導體具有零電阻效應、邁斯納效應和約瑟夫森效應等物理特性，這使其在大電流、強磁場、微弱信號檢測等諸多基礎領域具有廣闊的應用前途和無與倫比的優勢。對新超導材料的探索和高溫超導機理的研究是當前凝聚態物理中的重要研究方向。自從銅氧化物和鐵基高溫超導發現以來，人們尋找新型高溫超導材料的目光更多的轉向了過渡元素化合物。對於3d元素Cr，長期以來僅在幾種二元合金中發現超導。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）中發現了超導現象。其中K2Cr3As3體系由於具有準一維的晶格結構和可能的自旋三重態超導配對而引人關注。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導實驗室SC10組長期堅持新型超導材料的探索研究，至今已發現二十多種新超導體。最近，該研究組的博士研究生穆青隔、劉通等人在任治安研究員的指導下，對Cr系的准一維化合物進行了系統研究。他們通過233型單晶脫K的方式製備了133型的KCr3As3單晶，同時觀察到較弱的超導信號。然後通過進一步的優化製備條件和低溫退火處理，得到了超導體積分數接近100%的KCr3As3超導單晶，其超導Tc為5 K。很快，他們又發現了同為133結構的RbCr3As3超導體，令人驚奇的是，該化合物的Tc上升至7.3 K，超過了以前發現的所有Cr系超導體。由於Rb離子比K離子半徑更大，該體系表現出的負化學壓力效應與233系列超導體完全相反。另一方面，該133型超導體的晶體結構為中心對稱，空間群為P63/m(No. 176)，與非中心對稱的233型結構不同。相比於空氣中極不穩定的233型超導體，該133型新超導體在空氣中非常穩定，甚至在水中浸泡多天後其超導也無退化，非常適合進一步的實驗測量與物理研究。該133系列超導體的發現為準一維超導電性的研究提供了新的平台，相關研究成果已發表在Phys. Rev. B 96，140504（2017）和 EPL 120，27006 (2017) （EDITOR"S CHOICE）上。

為了進一步提高Cr系超導體的Tc，考慮到233結構的正化學壓力效應，該團隊又通過離子交換方法，用更小的Na離子替代K離子，成功製備了Na2Cr3As3單晶。Na2Cr3As3的晶體結構屬於P-6m2 (No. 187) 空間群，相比於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Tc為8.6 K，這是目前Cr基材料中最高超導溫度。該工作已發表在Physical Review Materials 2, 034803 (2018) 上。

以上相關研究工作得到了國家自然科學基金委員會、科技部973項目和中國科學院青年創新促進會優秀會員基金的支持。