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    凝聚態物理團隊在準一維鉻砷基超導材料研究取得進展

    來源 : 理學院     作者 : 沈冬杰     時間 : 2020-04-07  訪問量 : 190

    4月2日,我校凝聚態物理團隊與浙江大學陳啟謹教授、寧凡龍教授合作的論文Coexistence of nontrivial topological properties and strong ferromagnetic fluctuations in quasi-one-dimensional A2Cr3As3在Nature合作期刊npj Computational Materials(2018年期刊影響因子9.651)上發表。這是凝聚態物理團隊在準一維鉻砷基系列超導材料研究方面發表的第4篇論文。

    超導是指一些材料在特定條件下(主要為低溫),直流電阻嚴格為0的奇特性質。自1911年超導現象被荷蘭科學家H·卡茂林·昂內斯(1913年諾貝爾物理學獎)發現以來,超導態及超導材料就因為其特殊的物理性質一直備受物理學界的關注。在超導態下,由于超導體沒有電阻,直流電通過超導體沒有任何熱損耗,從而可以實現零損耗傳輸;還可以利用其中的大電流實現超高強度的磁場?,F代醫學廣為應用的核磁共振成像儀(MRI)中正是大量使用了超導材料制成的線圈以獲得高強度的磁場。除此以外,人們還可以利用磁場不能穿過超導體(邁斯納效應)的特性,實現超導磁懸浮列車等。

    近年來,超導材料和超導體的研究開始逐漸向拓撲超導拓展。區別于普通超導材料的是,拓撲超導材料的表面具有受拓撲保護的金屬態。當其處于外磁場中時,在其磁通漩渦中可能形成Majorana零能模,其統計特性符合非阿貝爾統計。由于這些態受到拓撲保護,不受弱雜質等的影響,因此拓撲超導材料被認為是實現量子計算最理想的材料。實現拓撲超導材料主要有兩個途徑:一種是通過加壓、摻雜等方式在已有的拓撲材料中實現超導(如CuxBi2Se3);另一種是尋找具有非平庸拓撲性質的超導材料。而在實驗最直接的證據就是發現Majorana零能模。

    2015年,浙江大學曹光旱教授研究組先后在一系列準一維材料A2Cr3As3(A=Na, K, Rb, Cs)內觀察到了超導現象。這一系列材料因為其具有低維,鐵磁漲落和非中心對稱超導電性等性質而廣泛引起研究者的興趣。尤其在K2Cr3As3中,實驗和理論計算都表明其具有很強的鐵磁漲落,而這種鐵磁漲落有利于超導三重態配對。近期NMR實驗則顯示鉻砷基超導體家族可能具有類似于超流體3He(三重態配對)的性質,這意味著該非常規超導體可能具有非平庸的拓撲性質。在前期大量相關研究工作鋪墊的基礎上,凝聚態團隊的研究人員對其進行了多年堅持不懈的研究?;诘谝恍栽碛嬎愫屠碚摲治?,研究人員系統地研究了鉻基化合物的電子結構、能帶拓撲、磁性漲落和超導態的拓撲性質。研究發現,Na2Cr3As3和K2Cr3As3的體能帶上存在三重簡并點,并且這些三重簡并點在[0 1 0]表面上被費米弧連接(圖1)。同時,RPA計算顯示,在K2Cr3As3和Rb2Cr3As3中存在較強的鐵磁漲落,而在Na2Cr3As3和Cs2Cr3As3中鐵磁漲落現象并不明顯,該結果與NMR實驗吻合(圖2)。此外,該研究基于對稱性還對超導態可能存在的拓撲性質進行了計算分析,指出這一材料在三重態配對下可能是一種拓撲超導的候選材料,而最終在該材料中是否存在Majorana零能模有待于進一步的實驗證實。

    本論文的第一作者徐陳超博士系我校2013級物理系本科畢業生,后以當年總分第一的優異成績進入浙江大學物理系深造,在浙江大學陳啟謹教授與我校凝聚態團隊曹超教授共同指導下進行強關聯及超導系統的第一性原理研究,現已進入東京大學物理系進行博士后研究。論文的第一通訊作者為凝聚態物理團隊曹超教授,第二通訊作者為浙江大學陳啟謹教授。這項工作得到了國家自然基金面上項目以及973項目的支持。凝聚態團隊近年來在鉻砷基材料研究上發表的論文包括:

    [1] Electronic structure of quasi-one-dimensional superconductor K2Cr3As3 from first-principles calculations, Hao Jiang, Guanghan Cao, and Chao Cao, Scientific Reports 5, 16054 (2015)

    論文鏈接:https://www.nature.com/articles/srep16054

    [2] Reduced dimensionality and magnetic frustration in KCr3As3, Chao Cao, Hao Jiang, Xiao-Yong Feng and Jianhui Dai, Physical Review B 92, 235107 (2015)

    論文鏈接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.92.235107

    [3] Lifshitz transition and nontrivial H-doping effect in the Cr-based superconductor KCr3As3Hx, Si-Qi Wu, Chao Cao and Guang-Han Cao, Physical Review B 100, 155108 (2019)

    論文鏈接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.155108

    [4] Coexistence of nontrivial topological properties and strong ferromagnetic fluctuations in quasi-one-dimensional A2Cr3As3, Chenchao Xu, Ninghua Wu, Guo-Xiang Zhi, Bing-Hua Lei, Xu Duan, Fanlong Ning, Chao Cao, and Qijin Chen, npj Computational Materials 6, 30 (2020)

    論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41524-020-0294-9

    圖 1. A2Cr3As3的能帶結構及[010]方向的表面態。TP標注三重簡并點的位置,Ss為表面態。詳細說明參考論文圖4及正文。

    圖 1. A2Cr3As3的能帶結構及[010]方向的表面態。TP標注三重簡并點的位置,Ss為表面態。詳細說明參考論文圖4及正文。

    圖 2. A2Cr3As3系列材料G點的自旋極化率隨溫度變化的趨勢。詳細說明參考論文圖6及正文。

    圖 2. A2Cr3As3系列材料G點的自旋極化率隨溫度變化的趨勢。詳細說明參考論文圖6及正文。


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