成功合成！浙大關(guān)于籠目晶格材料的最新研究登上《自然》

大約40年前，非常規(guī)超導(dǎo)體開啟了凝聚態(tài)物理新的研究篇章；大約10年前，籠目結(jié)構(gòu)模型引發(fā)了盛大的“籠目量子派對(duì)”。今天，這兩者在浙江大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里擦出了閃亮的“火花”：

浙江大學(xué)物理學(xué)院曹光旱研究組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所程金光、周睿等研究組在籠目晶格材料研究中取得了重要突破，他們成功合成了新型鉻基籠目晶格反鐵磁體，并且通過壓力調(diào)控，在磁性邊緣實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，其表現(xiàn)十分類似于非常規(guī)超導(dǎo)體。這項(xiàng)研究為進(jìn)一步探尋籠目晶格中的新穎量子態(tài)、理解非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理提供了嶄新的研究平臺(tái)。相關(guān)成果以*“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”為題發(fā)表在Nature*雜志上。

籠目晶格

——一個(gè)神奇的“搖籃”

傳統(tǒng)竹編制品中有一種常見的圖案，共用頂點(diǎn)的正三角形彼此相連，形成“籠目”花樣。這種結(jié)構(gòu)近年來深受科學(xué)家的青睞。理論預(yù)言，原子排列具有“籠目”晶格結(jié)構(gòu)的材料有可能產(chǎn)生特殊的電子行為和磁學(xué)性質(zhì)。因此，他們把具有這種晶體結(jié)構(gòu)的材料稱為籠目材料。

圖：竹筐中的籠目圖案

近十余年來，籠目結(jié)構(gòu)材料就像一個(gè)神奇的“搖籃”，已孕育出許多新穎的量子態(tài)和物理效應(yīng)。特別是2019年釩基籠目晶格材料的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的新一輪研究熱潮。這類材料展現(xiàn)出超導(dǎo)電性、“非常規(guī)”電荷密度波、"f反?！被魻栃?yīng)、配對(duì)密度波、電子向列序和時(shí)間反演對(duì)稱性破缺等令人目不暇接的新奇物態(tài)和現(xiàn)象。

“我們一直想在籠目這一新興體系中實(shí)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)?！辈芄夂到淌谡f，當(dāng)前，常規(guī)超導(dǎo)的形成機(jī)理已有成熟的理論；而對(duì)于高溫超導(dǎo)等非常規(guī)超導(dǎo)體，人們對(duì)其機(jī)理還缺乏共識(shí)。已有的非常規(guī)超導(dǎo) “品種”還不夠豐富，發(fā)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)體對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究上來說都具有重要價(jià)值?！扳C基籠目材料的超導(dǎo)電性的來源仍可用常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理來解釋。”

曹光旱說，按照經(jīng)驗(yàn)，非常規(guī)超導(dǎo)往往出現(xiàn)在磁性邊緣，因此磁性的引入對(duì)實(shí)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)具有積極的作用。然而磁性也不能太強(qiáng)，否則超導(dǎo)將完全被磁性抑制。“考慮到鉻元素在化合物中往往帶有磁性，我們認(rèn)為完全由鉻替代的新化合物可能存在局域磁矩，再加上籠目晶格的幾何阻挫特性，這樣有可能通過抑制磁性，產(chǎn)生非常規(guī)超導(dǎo)?！?/p>

圖：鉻基籠目材料的晶體照片和晶體結(jié)構(gòu)

經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)摸索，研究團(tuán)隊(duì)通過大幅改變助溶劑配比，成功生長(zhǎng)出鉻基單晶。在材料制備實(shí)驗(yàn)室，劉藝博士苦苦尋找著具有籠目結(jié)構(gòu)的鉻基單晶?！巴ǔ?克原材料才能得到不足5毫克的樣品?！眲⑺囌f，“由于目標(biāo)產(chǎn)物是個(gè)亞穩(wěn)相，實(shí)際生長(zhǎng)出來的產(chǎn)物大都是熱力學(xué)穩(wěn)定相，因此產(chǎn)率僅約為千分之一。單晶的尺寸也基本在0.5mm以內(nèi)，與筆尖的粗細(xì)相當(dāng)?！?/p>

關(guān)聯(lián)、磁性、量子臨界

和超導(dǎo)電性

圖：二維籠目晶格中的磁性、量子臨界以及超導(dǎo)電性示意圖（a）；鉻基和釩基“135”材料的電子結(jié)構(gòu)的比較（b）。

在“千里挑一”的鉻基籠目結(jié)構(gòu)晶格中，三個(gè)鉻原子構(gòu)成一個(gè)正三角形，成為一個(gè)“目”。實(shí)驗(yàn)人員通過對(duì)“千里挑一”的單晶進(jìn)行電阻、磁化率、比熱以及核磁共振等測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該新材料不同于釩基籠目體系。劉藝介紹，單晶是一種強(qiáng)關(guān)聯(lián)“壞金屬”，具有獨(dú)特的自旋密度波。第一性原理計(jì)算表明，的費(fèi)米能非常靠近量子干涉相消導(dǎo)致的平帶，這可能是產(chǎn)生強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)的根本原因。

最激動(dòng)人心的是測(cè)試的超導(dǎo)電性。在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——坐落在北京懷柔科學(xué)城的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)室里，研究人員通過施加壓力，磁有序或密度波序被抑制，直至出現(xiàn)超導(dǎo)電性。據(jù)介紹，大多數(shù)非常規(guī)超導(dǎo)體系具有與磁性相聯(lián)系的普適電子相圖。通過調(diào)節(jié)控制參量（化學(xué)摻雜、壓力、電場(chǎng)等），磁有序可被逐漸壓制，隨之出現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)電性?！拔覀兊墓ぷ鹘沂境鲢t基籠目晶格體系也具有與典型非常規(guī)超導(dǎo)體相似的電子相圖?！辈芄夂嫡f。

值得一提的是，體系的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（6.4 K）出現(xiàn)在磁有序消失的壓力點(diǎn)（亦被稱為量子臨界點(diǎn)，QCP）附近，此時(shí)的上臨界磁場(chǎng)超過泡利順磁極限。同時(shí)，高溫正常態(tài)顯示出非費(fèi)米液體（或者叫做奇異金屬）行為。

圖：曹光旱教授（右）與劉藝博士在實(shí)驗(yàn)室討論

曹光旱說，是一類新的籠目材料體系，具有與籠目晶格相關(guān)的平帶和幾何阻挫等特性，其壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性展現(xiàn)出非常規(guī)超導(dǎo)體的許多共性，對(duì)它的深入研究將有助于解決非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理問題。

美國(guó)萊斯大學(xué)物理學(xué)斯其苗教授及其合作者在其論文中評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作時(shí)表示，鉻基籠目超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為籠目材料家族增添了一位新成員，它開辟了一個(gè)激動(dòng)人心的研究方向。憑借其獨(dú)特的現(xiàn)象和多軌道特性，該化合物將為研究平帶上的電子關(guān)聯(lián)提供了獨(dú)特的研究平臺(tái)。

發(fā)文當(dāng)天，Nature雜志專門配發(fā)了由德國(guó)維爾茨堡大學(xué)Giorgio Sangiovanni教授撰寫的工作介紹。文章以“Superconductor surprises with strong correlations”為題強(qiáng)調(diào)了電子關(guān)聯(lián)的重要性，他以量子“熔爐”作比喻，稱新的超導(dǎo)體介于傳統(tǒng)磁性和強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子行為之間，處于電荷、自旋和軌道效應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)，因而可能會(huì)導(dǎo)致非凡的新量子態(tài)。文章稱，劉藝及其同事的工作可能會(huì)成為人們認(rèn)識(shí)籠目金屬的多體物理的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

浙江大學(xué)/浙江工業(yè)大學(xué)劉藝博士、中國(guó)科學(xué)院物理研究所劉子儀副研究員、杭州師范大學(xué)/上海大學(xué)鮑金科副教授為論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所周睿特聘研究員、程金光研究員以及浙江大學(xué)曹光旱教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B專項(xiàng)和青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目的支持。論文中的高場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)和高壓物性測(cè)量是在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施-綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置（SECUF）上完成的。