脉冲强磁场和高压联合作用下的ET/TMTSF有机超导体量子态研究

ET/TMTSF organic superconductors present abundant electronic ground states under the regulation of external parameters (magnetic field and pressure) due to the electromagnetic interaction. It has unique research value for its novel physical phenomena (e.g. field induced quantum Hall effect, triplet superconductivity and giant Nernst effect) , as well as the transport mechanisms known to man like metallic, sliding density wave and quantum Hall effect etc. High pressure can increase the critical temperature on the organic superconductor, and produce new phase under ultrahigh pressure. High magnetic field not only can destroy the superconducting state of the organic superconductor and makes it enter into normal state, but also can stimulate the superconducting state of low-dimensional layered organic superconductor. Although high pressure or high magnetic field can affect the conductive state of the organic superconductor significantly, only few researches combining them have been reported yet. This phenomenon could be due to the technical challenge and high operation cost.The applicant research the pressure effect of organic superconductor under pulsed high magnetic field, using pulsed high magnetic field-high pressure device which can impose high magnetic field (≤75T) and high pressure (≤7GPa) to the organic molecule simultaneously. This project can contribute to the exposure of quantum phase transition of organic conductor under the combined effect of high pressure and high magnetic field, deep understanding of superconductivity mechanism of low-dimensional organic conductor and exploration of high-temperature organic superconductor.

ET/TMTSF有机超导体由于电磁等相互作用的竞争，在外界参量（磁场、压力）的调控下呈现丰富的电子基态。除金属性、密度波、霍尔效应等已被熟知的输运机制外，还具有磁致量子霍尔效应、三态超导、巨能斯特效应等新颖物理现象，因此这类体系具有独特的研究价值。高压能提升有机超导体的临界温度，产生超高压新相。强磁场不仅能破坏有机超导体的超导态、使其进入正常态研究，更能够激发低维层状有机超导体的超导态。尽管施加高压或强磁场都对有机超导体的导电状态产生显著影响，然而强磁场下的高压技术难度较大、且运行成本高，所以将两者结合起来研究其物性的报导比较少见。申请人利用脉冲强磁场高压装置（磁场强度高至75T、压强至7GPa），对有机分子同时施加高场高压，进行脉冲强磁场下有机超导体压力效应的研究。此研究可为揭示强磁场高压联合作用下有机超导体的量子相变过程、深入了解低维有机超导体的超导机制、探索高温有机超导体提供线索。

脉冲强磁场和高压联合作用下低维有机体的量子态研究是一个富有挑战性和开创性的前沿课题。本项目为观察有机超导体在脉冲强磁场和高压联合作用下的量子临界现象打开一个窗口。研究结果表明，通过调节压力、降温速率和磁场，就可以改变有机超导体的量子态。因此这个体系具有独特的理论和研究价值。我们利用已有的脉冲强磁场高压装置对ET-Cu分子单晶进行了单晶高压磁阻的测试。所测试的ET-Cu分子单晶为(BEDT-TTF)3Cu2(C2O4)3(CH3OH)2二维的电荷转移复合物的单晶。磁场测试范围0-60T，压力测试值为2GPa，我们的测量结果显示在2GPa的高压下，(BEDTTTF)3Cu2(C2O4)3(CH3OH)2，仍不具有好的电导率，如果压力继续升高，半导体分子单晶有可能转变成导体或者半金属。我们采用PWSCF软件对(BEDT-TTF)3Cu2(C2O4)3(CH3OH)2不同压力下的电子结构进行了研究，计算表明在15GPa下，这种二维单晶仍没有出现导电性，需要更高的压力。根据脉冲强磁场实验的特点，磁场强度在极快的速度内（<1S）升高，在短时间内会因涡流而产生很大的热量。本项目对脉冲强磁场高压实验的高压包部件材料进行了测试。分别对二氧化锆、铍铜、金刚石、镍铬铝合金、进口的440C不锈钢的压砧和压腔进行了隔热性能的测试。本项目将原有的二氧化锆的压砧替换为优质的天然金刚石压砧，二氧化锆的推杆替换为镍铬铝的推杆，使高压包压腔内的压强提升至了10GPa以上。在测试过程中发现，样品腔内因涡流产生了较大的热量，使样品急速升温，因此样品的温度控制受到影响，所测的数据不准确，而且无法测出低温下的数据。我们将除金刚石高压包以外的部件替换为进口的440C不锈钢材料，重新设计了高压包的结构。对顶砧高压装置的压力空间非常微小，在高压腔里压力分布很不均匀，样品在高压腔内受到高压后本身温度会发生变化，原有的压力标定方式欠准确，因此我们新增了原位标压装置。另外我们还开展了theta-ET2CsCo(SCN)4和theta-ETwCsZn(SCN)4量子相变研究工作，结果仍在分析中。本项目的研究极大的提升了脉冲强磁场实验装置的高压测量技术，为研究ET有机体的强磁场和高压结合下的量子相变研究打下了基础。