强磁场下准一维超导电子的量子输运研究

Dimensionality is one of the key tunable parameters in physics. Due to a multitude of novel features found in one-dimensional superconductors, as contrasted with those in higher dimensional counterparts, it becomes a flurry of exciting research to study the fascinating physics in one-dimensional superconductors. On the basis of our previous expertise in this topic, we propose here to study the magneto-transport properties of quasi-one-dimensional superconductors under high magnetic fields, in particular in recently discovered Ta4Pd3Te16, Sc3CoC4 and Nb2PdS5 superconductors and their derivatives. Primary emphasis shall be placed on the following important aspects: (1) study the pair-breaking mechanism of one-dimensional superconductivity, via the upper critical field Hc2 measurements, therefore explore various exotic states such as spin triplet pairing, Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) state and the fluctuating superconducting state. (2) Investigate the intrinsic normal state resistivity by stripping away the superconductivity using high magnetic fields. Study the angular dependence of the magnetoresistance and reveal their underlying Fermi surfaces. (3) Look for the signatures of proposed novel electronic excitations in quasi-one-dimensional materials, such as Luttinger liquid paradigm and the topological Dirac fermions, which may be revealed by, for example, linear magnetoresistance, negative magnetoresistance and the quantum oscillations. Our experiments are therefore of general interest and will help guiding future research into understanding the mechanism of superconductivity in quasi-one-dimensional materials.

一维电子系统的超导，存在许多不同于二维、三维超导体的新奇输运特性，是超导电子学研究中的一个重要课题。基于课题组在一维电子系统的超导特性研究基础，本项目将以Ta4Pd3Te16,Sc3CoC4,Nb2PdS5等准一维超导体为研究对象，以强磁场下的输运为主要研究手段，对如下几个关于超导配对及相关问题展开系统研究：（1）通过上临界场Hc2的测量，揭示超导电子的拆对机制，探讨准一维超导体中可能的自旋三重态配对，FFLO超导态和超导涨落等基本问题。（2）通过强磁场压制超导态，研究正常态的磁阻行为，包括磁阻的角度效应，从而获得其费米面的相关信息，为建立其超导机理的微观模型提供实验依据。(3）通过反常磁阻及量子震荡的分析，探索准一维超导体中可能的反常电子激发，如Luttinger液体激发和Dirac电子激发（拓扑态）等。项目的完成将对理解一维超导电子系统的量子输运有参考价值。

当相互作用的电子被束缚在一维时，往往表现出许多奇异的物理性质。因此，准一维电子系统的超导，由于存在许多不同于二维、三维超导体的新奇特性，是超导电子学研究中的一个重要课题。在本课题中，基于课题组之前在一维电子系统的超导特性研究基础，我们以Li0.9Mo6O17, Tl2Mo6Se6，TaNiTe5, TaNi2Te3等准一维体系为研究对象，以强磁场下的输运为主要研究手段，对其超导配对及拓扑电子激发展开了系统深入的研究：一方面，我们通过强磁场压制超导态，系统研究了一维超导体正常态的磁阻行为，包括磁阻的角度效应，获得了其中反常量子态等信息，从而为建立其超导机理、反常输运性质的微观模型提供了实验依据；另一方面，我们通过反常磁阻及量子震荡的分析，探索准一维超导体中可能的反常电子激发，如Luttinger液体激发和Dirac电子激发等。具体来讲，我们首次发现了超导体Li0.9Mo6O17中存在exciton的激发，这是其低温下金属-绝缘体转变的关键。另外，我们发现了许多准一维电子体系同样表现出非平庸的拓扑电子态，并且其拓扑性质与二维、三维体系中的拓扑激发存在明显的不同。我们进一步通过压力、掺杂等方法，调节一维电子体系的电子态，从而实现拓扑超导、拓扑相变等反常量子行为。同时，我们的研究也给出了一些超导体，如PbTaSe2，中存在拓扑超导态的实验证据。项目的开展及完成对人们理解一维电子系统的反常量子输运有重要参考价值。