过渡金属磷族化合物中高压调控的磁性量子临界点和非常规超导电性研究

A quantum critical point (QCP) arises when a second-order phase transition is suppressed to occur at zero temperature via chemical doping or the application of external pressure or magnetic field. Quantum critical fluctuations associated with the QCP can produce many unusual physical phenomena, including the non-Fermi-liquid behavior and the unconventional superconductivity. These exotic phenomena challenge our current theoretical framework; nevertheless, to approach a magnetic QCP becomes an effective route in searching for novel superconducting systems. Recently, we successfully observed superconductivity in both CrAs and MnP near their pressure-driven magnetic QCPs; such discoveries of the first Cr- and Mn-based superconductor represent important breakthroughs in the field of superconductivity. In this project, we propose to further investigate the unusual physical properties associated with the magnetic QCP so as to unveil the superconducting mechanism of these two families of novel superconductors. In addition, we plan to apply systematically the high-pressure approach to explore the magnetic QCP and possible unconventional superconductivity among the strongly correlated magnetic metals with a major focus on the transition-metal-pnictides based compounds. Through this project, we hope to establish some universal relationship or connections between the magnetic quantum critical fluctuations and the unconventional physical properties.

通过化学掺杂或者施加高压、磁场等调控手段将发生在有限温度的连续相变抑制到绝对零度附近就实现了量子临界点，与之相关的量子临界涨落通常会造成许多反常的物理现象，包括非费米液体行为和非常规超导电性等，这些现象挑战了当前的理论框架。而实现磁性量子临界点为探索新的超导材料体系提供了重要的思路。基于这一思路，我们最近通过高压调控在CrAs和MnP的磁性量子临界点附近首次观察到超导电性，实现了Cr基和Mn基化合物超导体的重要突破。本项目计划在此基础上进一步深入研究这两类化合物中与磁性量子点相关的反常物理性质，探索超导机理；另一方面继续对以过渡金属磷族化合物为主的巡游磁性金属体系进行系统的高压调控研究，探索并实现磁性量子临界点和可能的非常规超导电性，最终建立临界磁性涨落与这些反常物理性质之间联系的规律性认识。

通过高压抑制CrAs和MnP的螺旋磁有序而在它们的磁性临界点附近首次观察到超导电性，实现了Cr基和Mn基化合物超导体零的突破，而且它们的超导相图跟许多非常规超导体系非常类似，因此受到了国内外同行的高度关注。本项目的目的就是在此基础上进一步研究并理解CrAs和MnP的超导机理并以此为指导探索新的超导材料。在本项目的资助下取得了如下进展：（1）采用物理压力和化学压力相互补充的研究思路，测量了CrAs单晶高压下的中子衍射、CrAs1-xPx样品的非弹性中子散射，详细分析了CrAs单晶高压下的电阻率和磁化率数据以及CrAs1-xPx单晶的电阻率和比热数据，全面获得了结构相变和螺旋反铁磁序随压力演化的规律以及自旋涨落的动力学信息，提供了压致螺旋反铁磁量子临界点和磁性量子临界涨落对正常态电输运性质影响的重要实验证据，最后结合理论分析，指出尽管结构相变仍为一级相变，但螺旋反铁磁相变在压力下消失时接近连续的二级相变，为理解CrAs甚至铁基超导体中的非常规超导机制提供了新的思路。（2）通过高压中子散射和同步辐射非共振磁性散射实验，确定了MnP在高压下的磁结构演化规律，证实2GPa以上的磁结构仍具有螺旋反铁磁序，从而提供了MnP的超导发生在螺旋反铁磁量子临界点的实验证据；但是，不同实验技术确定的螺旋传播方向存在差异，值得深入研究。（3）通过高压电阻率、磁化率以及霍尔效应测试，建立了FeSe单晶完整的高压相图，澄清了电子向列序、磁有序和超导相之间的相互竞争关系，揭示了高温超导是通过抑制向列序和磁有序而逐步实现的，并且提供了反铁磁临界涨落与高温超导密切联系的实验依据。此外，在电子掺杂的插层FeSe高温超导体中观察到高压诱导的超导II相。这些研究结果为进一步探索过渡金属巡游磁体中的磁性量子临界点以及深入理解磁性临界涨落与非常规超导配对的联系具有重要参考价值。