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K2Cr3As3中發現自旋三重態超導(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2022-01-17

在常規BCS超導體中，電子配對成庫伯對的媒介是電聲子相互作用，超導態具有對稱的軌道波函數（s波）和反對稱的自旋波函數（自旋單態，S=0）。在銅氧化物高溫超導體中，庫伯對也處于自旋單態，但軌道波函數具有d波對稱性。除了自旋單態，電子對還可以以自旋三重態的方式配對（S=1），這種情況下就要求軌道波函數具有反對稱的形式，如p波，f波等。第一個自旋三重態配對的例子是超流3He，其庫珀對處于自旋三重態（S=1），軌道波函數是p波。3He中的自旋三重態超流是由鐵磁漲落引起的。最近的研究發現3He超流相是拓撲非平凡的。對于自旋三重態超導體，如果破壞時間反演對稱性，就可以形成拓撲超導，有可能為拓撲量子計算提供基礎，在未來的信息處理上有實用價值。長期以來，人們一直試圖在關聯電子系統中尋找本征的自旋三重態超導體，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）是近年來新發現的一種強關聯電子材料，諸多實驗和理論表明這是一個非常規超導體系。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心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）發現A2Cr3As3和3He中的超流態A相有很多相似之處，如超導能隙具有點狀的節點，并且正常態存在強烈的鐵磁性自旋漲落。因此，這是一個有希望實現自旋三重態p波超導的體系（Physical Review Letters 115, 147002 (2015)）。之后, 與組內博士生羅軍等人一起又發現通過改變堿金屬原子A，可對A2Cr3As3的鐵磁漲落和超導進行調控，系統的超導態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的超導是自旋三重態。實驗中克服了單晶細?。ㄙ|量約0.1mg），且ab面內無法定向的困難，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。當外加磁場沿著ab面的方向時，通過原位旋轉單根樣品同時測量NMR譜隨面內角度的變化，確定了磁場與晶體方向的關系。在正常態，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。進入超導態后，ab面內奈特位移所探測到的自旋磁化率不隨溫度變化，而當磁場沿著c方向時，自旋磁化率隨著降溫趨近于0。自旋磁化率出現了自發的各向異性變化。對于自旋單態超導體，各個晶體方向的自旋磁化率都應在零溫時趨近0；而對于自旋三重態超導體，庫伯對則會貢獻自旋磁化率，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態的各向異性變化。因此，實驗結果明確的表明K2Cr3As3是自旋三重態超導。

 

自旋三重態中庫伯對的方向習慣上用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。上述實驗結果說明K2Cr3As3的d矢量是沿著c方向的。而c方向進一步的變磁場NMR實驗發現了一個有趣的現象，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。當施加16T的磁場時，c方向的奈特位移也表現出不隨溫度變化的行為。這些現象表明K2Cr3As3中d矢量最初是沿著c方向，當磁場增加后，d矢量旋轉90度朝向了ab面。在實驗數據的基礎上，與物理所周毅研究員合作進行了理論計算工作，得到了K2Cr3As3所有滿足點狀節點能隙和自旋三重態的軌道波函數，其中px+ipy和px-ipy是符合實驗結果的。因此，K2Cr3As3的自旋三重態超導與3He超流A相很相似，可能是具有拓撲性質的。這項研究成果證實了K2Cr3As3是一個具有關聯電子效應的自旋三重態超導體，其超導態更詳細的性質及拓撲超導的可能性值得進行更深入的研究。

 

相關研究結果以“Spin-triplet superconductivity in K2Cr3As3”為題發表在近期的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。？

圖2.   K2Cr3As3超導態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