闻海虎团队在一种新型铁硒基绝缘体材料CsFe4-xSe4中利用高压诱导出非常规超导电性

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超导体的传统理论是1957年由美国科学家巴丁-库柏-施里佛（Bardeen-Cooper-Schrieffer）所发明的BCS理论，该理论因为成功解释了金属和合金中的超导机制而获得1972年的诺贝尔物理学奖。BCS理论的物理精髓是讲在费米面附近动量和自旋相反的两个电子通过交换晶格的虚振动模（所谓声子）而达到吸引作用，形成电子配对，即库柏对。这种电子对作为载流子，其量子统计规律完全不同于金属中的单电子统计规律（即费米-狄拉克统计），而是在有限温度发生量子凝聚现象，从而形成宏观尺度的量子相干态，这也是导致超导态出现零电阻和完全抗磁性的根本原因。因此，在BCS理论范畴内，超导是在金属基态上出现的；也就是说，超导被破坏掉以后应该恢复金属态。
       此外，过去30多年以来，人们高度关注具有3d族过渡金属化合物的物理性质，其原因是该类元素中的d轨道电子具有强关联特性，其电子往往既表现出局域化特性，同时又有巡游性。局域化特性赋予这些原子一定的磁矩，而迅游性会带来导电性。目前发现的两大类非常规高温超导体，即铜氧化物超导体和铁基超导体都属于这种类型。这些材料中的磁性以丰富多彩的方式表现出来，有长程反铁磁有序态，也有长程反铁磁有序被破坏以后的自旋涨落态，还有奇异的量子自旋液态（这些自旋或磁矩通过量子涨落形式存在配对单态，即便在零温极限下）。普林斯顿大学著名的理论物理学家，诺贝尔奖获得者Phillip Anderson曾经预言铜氧化物的基态就是这种具有莫特属性的量子自旋液态；往这种自旋液态中掺入空穴，使得处于强关联的电子松动起来，就会出现高温超导。这个超导图像当然是革命性的，完全突破了原来BCS理论的假设和范畴，只可惜目前发现的量子自旋液态材料并不多，即便有屈指可数的几个，也很难通过掺杂或高压方式诱导出超导电性。

图1. 超导出现在具有强关联和磁涨落的绝缘体基态背景上（示意图）

       闻海虎教授团队最近在一种具有奇异特性的铁基绝缘体材料CsFe4-xSe4中，通过高压方式诱导出非常规超导电性。实验发现该材料尽管具有绝缘性，但是其规律不能用能带绝缘体公式进行拟合，反而可以用三维的变程跳跃模型（通常用于描述关联电子材料或莫特绝缘体性质）进行描述；极低温比热存在一个明显的线性项C/T(T=0)，这是通常能带绝缘体所不应该具有的性质；磁化强度随温度的曲线也没有发现磁有序相变或者满足居里-外斯顺磁性的规律。结合电阻、比热和磁化数据，他们认为这些属性与具有莫特属性的量子自旋液态吻合。在其上诱导出非常规超导，将会促进其他理论和实验的进一步研究，对高温超导机制研究具有重要启发和指导意义。该工作最近刚刚在美国物理学会的杂志Physical Review X上面发表出来【Phys. Rev. X 10, 041008 (2020)】。图1给出了这种物理图像的示意图，即超导电性出现在具有量子磁性涨落属性的莫特绝缘体背景之上。




       该工作是由南京大学闻海虎教授团队独立完成的，第一作者是博士生司进同学，其他合作者有博士生陈冠宇，李庆，祝熙宇副教授和杨欢教授。
       此工作得到教育部一流学科建设、国家重点研发项目“量子调控”项目、自然科学基金委和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持，在此表示感谢。
       文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.041008


       文章来源：南京大学
       闻海虎系南京大学教授，博士生导师，南京大学超导物理和材料研究中心主任，国家杰出青年基金获得者，教育部“长江特聘”教授，国家“万人计划”领军人才，美国物理学会会士。长期从事超导和低温物理研究，在高温超导体磁通动力学，高温超导机理问题和非常规超导材料合成和物理性质研究方面获得一批重要成果。在包括Nature Physics，Science Advance, Nature Communications在内的SCI杂志上发表论文400余篇，他人引用超过8000次，h-index 50,在国内外会议上作邀请报告过百场。曾获得中国青年科技奖、国家自然科学二等奖（第一获奖人）、香港求是杰出成就集体奖、华人物理学会亚洲成就奖、国家自然科学一等奖（第四完成人）。科技部目标导向性超导973项目“高温超导材料和物理研究”首席科学家，加拿大国家高等研究计划远东区代表。担任Physica C，Phylosophical Magzine，《物理》，中国科学G，Chinese Physics Letters，npj Quantum Materials杂志的编委。