K2Cr3As3中發(fā)現(xiàn)自旋三重態(tài)超導(dǎo)(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2022-01-17

在常規(guī)BCS超導(dǎo)體中，電子配對成庫伯對的媒介是電聲子相互作用，超導(dǎo)態(tài)具有對稱的軌道波函數(shù)（s波）和反對稱的自旋波函數(shù)（自旋單態(tài)，S=0）。在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，庫伯對也處于自旋單態(tài)，但軌道波函數(shù)具有d波對稱性。除了自旋單態(tài)，電子對還可以以自旋三重態(tài)的方式配對（S=1），這種情況下就要求軌道波函數(shù)具有反對稱的形式，如p波，f波等。第一個自旋三重態(tài)配對的例子是超流3He，其庫珀對處于自旋三重態(tài)（S=1），軌道波函數(shù)是p波。3He中的自旋三重態(tài)超流是由鐵磁漲落引起的。最近的研究發(fā)現(xiàn)3He超流相是拓?fù)浞瞧椒驳摹τ谧孕貞B(tài)超導(dǎo)體，如果破壞時間反演對稱性，就可以形成拓?fù)涑瑢?dǎo)，有可能為拓?fù)淞孔佑嬎闾峁┗A(chǔ)，在未來的信息處理上有實用價值。長期以來，人們一直試圖在關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中尋找本征的自旋三重態(tài)超導(dǎo)體，然而，到目前為止僅有幾種候選材料，并且它們在實驗和理論上仍然存在一些問題。

 

A2Cr3As3（A為堿金屬元素）是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，諸多實驗和理論表明這是一個非常規(guī)超導(dǎo)體系。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HX02組楊杰副研究員等人在過去的研究中，利用核磁共振實驗（NMR）發(fā)現(xiàn)A2Cr3As3和3He中的超流態(tài)A相有很多相似之處，如超導(dǎo)能隙具有點狀的節(jié)點，并且正常態(tài)存在強(qiáng)烈的鐵磁性自旋漲落。因此，這是一個有希望實現(xiàn)自旋三重態(tài)p波超導(dǎo)的體系（Physical Review Letters 115, 147002 (2015)）。之后, 與組內(nèi)博士生羅軍等人一起又發(fā)現(xiàn)通過改變堿金屬原子A，可對A2Cr3As3的鐵磁漲落和超導(dǎo)進(jìn)行調(diào)控，系統(tǒng)的超導(dǎo)態(tài)處于鐵磁量子臨界點附近（Physical Review Letters 123, 047001 (2019)）。

 

最近，楊杰副研究員、羅軍博士后、鄭國慶教授等通過與物理所石友國研究組以及周毅研究員合作，在高質(zhì)量K2Cr3As3單晶樣品上開展了核磁共振實驗，首次在實驗上確定K2Cr3As3的超導(dǎo)是自旋三重態(tài)。實驗中克服了單晶細(xì)?。ㄙ|(zhì)量約0.1mg），且ab面內(nèi)無法定向的困難，通過施加不同晶體方向的外磁場，測量了奈特位移K和自旋晶格弛豫率1/T1T。當(dāng)外加磁場沿著ab面的方向時，通過原位旋轉(zhuǎn)單根樣品同時測量NMR譜隨面內(nèi)角度的變化，確定了磁場與晶體方向的關(guān)系。在正常態(tài)，ab方向和c方向的K和1/T1T都隨著降溫而增大，表明樣品中存在鐵磁自旋漲落。進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，ab面內(nèi)奈特位移所探測到的自旋磁化率不隨溫度變化，而當(dāng)磁場沿著c方向時，自旋磁化率隨著降溫趨近于0。自旋磁化率出現(xiàn)了自發(fā)的各向異性變化。對于自旋單態(tài)超導(dǎo)體，各個晶體方向的自旋磁化率都應(yīng)在零溫時趨近0；而對于自旋三重態(tài)超導(dǎo)體，庫伯對則會貢獻(xiàn)自旋磁化率，同時庫伯對的凈磁矩也有方向性，這會引起奈特位移在超導(dǎo)態(tài)的各向異性變化。因此，實驗結(jié)果明確的表明K2Cr3As3是自旋三重態(tài)超導(dǎo)。

 

自旋三重態(tài)中庫伯對的方向習(xí)慣上用d矢量來描述，d矢量與庫伯對自旋的方向相互垂直。在固體晶格中，d矢量通常固定在某一晶體方向。上述實驗結(jié)果說明K2Cr3As3的d矢量是沿著c方向的。而c方向進(jìn)一步的變磁場NMR實驗發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，K2Cr3As3中庫伯對自旋（d矢量）的朝向是可以被“撬動”的。實驗中c方向的奈特位移并不是在Tc處開始下降，而是在比Tc稍低的溫度T*，并且在不同的磁場下，T*與Tc的差距隨著磁場增大而逐漸增加。當(dāng)施加16T的磁場時，c方向的奈特位移也表現(xiàn)出不隨溫度變化的行為。這些現(xiàn)象表明K2Cr3As3中d矢量最初是沿著c方向，當(dāng)磁場增加后，d矢量旋轉(zhuǎn)90度朝向了ab面。在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，與物理所周毅研究員合作進(jìn)行了理論計算工作，得到了K2Cr3As3所有滿足點狀節(jié)點能隙和自旋三重態(tài)的軌道波函數(shù)，其中px+ipy和px-ipy是符合實驗結(jié)果的。因此，K2Cr3As3的自旋三重態(tài)超導(dǎo)與3He超流A相很相似，可能是具有拓?fù)湫再|(zhì)的。這項研究成果證實了K2Cr3As3是一個具有關(guān)聯(lián)電子效應(yīng)的自旋三重態(tài)超導(dǎo)體，其超導(dǎo)態(tài)更詳細(xì)的性質(zhì)及拓?fù)涑瑢?dǎo)的可能性值得進(jìn)行更深入的研究。

 

相關(guān)研究結(jié)果以“Spin-triplet superconductivity in K2Cr3As3”為題發(fā)表在近期的Science Advances 7, eabl4432 (2021)。該工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院青促會、王寬誠教育基金會等項目的支持。

圖1.   K2Cr3As3不同晶體方向的75As核磁共振譜中心峰，以及得到的奈特位移溫度變化和軌道磁化率貢獻(xiàn)。？

圖2.   K2Cr3As3超導(dǎo)態(tài)不同晶體方向奈特位移的溫度變化。

圖3.   沿c方向加磁場時K2Cr3As3的磁場-溫度相圖