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物理所发现新型结构和更高Tc的准一维Cr基超导体

  

  超导体具有零电阻效应、迈斯纳效应和约瑟夫森效应等物理特性,这使其在大电流、强磁场、微弱信号检测等诸多基础领域具有广阔的应用前途和无与伦比的优势。对新超导材料的探索和高温超导机理的研究是当前凝聚态物理中的重要研究方向。自从铜氧化物和铁基高温超导发现以来,人们寻找新型高温超导材料的目光更多的转向了过渡元素化合物。对于3d元素Cr,长期以来仅在几种二元合金中发现超导。一直到2014年,研究者们相继在Cr2Re3B(Tc ~ 4.8 K)、CrAs(高压下Tc ~ 2 K)和K2Cr3As3(以及Rb2Cr3As3和Cs2Cr3As3Tc 分别为6.1 K、4.8 K、2.2 K)中发现了超导现象。其中K2Cr3As3体系由于具有准一维的晶格结构和可能的自旋三重态超导配对而引人关注。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导实验室SC10组长期坚持新型超导材料的探索研究,至今已发现二十多种新超导体。最近,该研究组的博士研究生穆青隔、刘通等人在任治安研究员的指导下,对Cr系的准一维化合物进行了系统研究。他们通过233型单晶脱K的方式制备了133型的KCr3As3单晶,同时观察到较弱的超导信号。然后通过进一步的优化制备条件和低温退火处理,得到了超导体积分数接近100%的KCr3As3超导单晶,其超导Tc为5 K。很快,他们又发现了同为133结构的RbCr3As3超导体,令人惊奇的是,该化合物的Tc上升至7.3 K,超过了以前发现的所有Cr系超导体。由于Rb离子比K离子半径更大,该体系表现出的负化学压力效应与233系列超导体完全相反。另一方面,该133型超导体的晶体结构为中心对称,空间群为P63/m (No. 176),与非中心对称的233型结构不同。相比于空气中极不稳定的233型超导体,该133型新超导体在空气中非常稳定,甚至在水中浸泡多天后其超导也无退化,非常适合进一步的实验测量与物理研究。该133系列超导体的发现为准一维超导电性的研究提供了新的平台,相关研究成果已发表在Phys. Rev. B 96,140504(2017) 和 EPL 120,27006 (2017) (EDITOR'S CHOICE)上。

  为了进一步提高Cr系超导体的Tc,考虑到233结构的正化学压力效应,该团队又通过离子交换方法,用更小的Na离子替代K离子,成功制备了Na2Cr3As3单晶。Na2Cr3As3的晶体结构属于P-6m2 (No. 187) 空间群,相比于K2Cr3As3,晶格沿a轴方向有明显收缩,约7.6%,沿c轴向仅收缩了约0.5%,表明离子半径较小的Na+取代K+明显增强了(Cr3As3)2-的链间耦合作用。电阻、磁化率以及比热的测量表明Na2Cr3As3单晶的超导Tc为8.6 K,这是目前Cr基材料中最高超导温度。该工作已发表在Physical Review Materials 2, 034803 (2018) 上。

  以上相关研究工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部973项目和中国科学院青年创新促进会优秀会员基金的支持。

  论文链接:

  [1]: https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.140504

  [2]: http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/120/27006

  [3]: https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.2.034803

  

图1. K2Cr3As3和 KCr3As3的晶体结构对比。

图2. KCr3As3单晶退火前后的电阻温度曲线所示超导转变及与K2Cr3As3的对比

图3. RbCr3As3单晶的电阻温度曲线及与Rb2Cr3As3的对比

图4. Na2Cr3As3单晶的电阻温度曲线与上临界场

图5. 准一维Cr系133和233结构超导体的超导Tc与链间距a的关系