铬基超导体A2Cr3As3(A=K,Rb,Cs)物理性质和掺杂效应的实验研究

K2Cr3As3 is the first ambient-pressure Cr-based superconductor which was reported in 2015 by our research group. The superconductor is featured by both quasi-one dimensionality and electron correlations. So far, most experimental researches have indicated unconventional superconductivity in the system, and meanwhile, theoretical investigations have predicted the superconducting order parameter being of spin-triplet with p-wave or f-wave symmetry. However, many problems remain unresolved. In this project we will carefully measure the physical properties of the A2Cr3As3 (A=K,Rb,Cs) single crystals. We will also study the doping effect. Our main research motivations include: (1) exploring the possible 3D-1D dimension crossover and the possibleTomonaga-Luttinger liquid behavior in the normal states; (2) searching for the experimental evidences of the possible multi-band superconductivity and multiple superconducting phases; (3) verifying the superconducting order parameters; (4) clarifying different types of impurity effect on superconductivity; and (5) revealing the trend of influence of interchain coupling on physical properties. This project is expected to make a further understanding for the new Cr-based superconductors, which may supply important basis for the universal interpretation of various kind of unconventional superconductivity.

K2Cr3As3 是由本研究组在2015年报道的首个常压铬基超导体，该超导体兼具准一维特性和较强的电子关联作用。目前的实验研究结果大都表明它具有非常规超导电性，理论研究则预言其超导序参量具有自旋三重态的p波或f波对称性，但是遗留问题仍然很多。本项目拟对A2Cr3As3(A=K,Rb,Cs)超导体单晶的物理性质进行细致测量并研究其掺杂效应。主要研究内容包括：（1）探索其正常态可能的3D-1D维度跨接（crossover）以及Tomonaga-Luttinger液体行为；（2）寻找超导态中可能的多带超导以及多个超导相的实验证据；（3）检验和确认超导序参量对称性；（4）阐明影响超导电性的各种杂质效应；（5）揭示链间耦合对物性的影响规律。本项目的实施将加深对此类新型铬基超导体的认识，为统一理解各种非常规超导电性提供重要依据。

A2Cr3As3 (A=K,Rb,Cs) 是本研究组在2015年发现的一类兼具准一维结构和电子关联作用的新型铬基超导体，本项目旨在对该系列超导体进行物理性质和掺杂研究，主要研究内容及结果有：1) 生长出了高质量的K2Cr3As3单晶，并测量了其各向异性电阻。结果发现，垂直于CsAs链方向上的电阻率存在从相干到非相干的过渡，在低温下与温度呈线性关系，在高温（>50 K）下呈现半导体行为，说明在高温段CrAs链内呈Luttinger液体状态。2) 系统研究了A2Cr3As3超导体的奇特上临界磁场行为及其与链间距之间的关系。随着Cr3As3链间距单调增加，上临界磁场的各向异性亦显著增加。三者的上临界磁场共性在于，当磁场垂直于链方向时不存在Pauli顺磁效应，当磁场在ab面内转动时上临界场出现三重对称性，结果支持自旋三重态配对。3) 在对A2Cr3As3体系进行元素替代研究时，发现了一种新型准一维的反铁磁金属--- KMn6Bi5。其电输运行为也表现出类似的各向异性：在垂直于链方向电阻率出现1D-3D维度跨越行为。4）通过陈化和退火手段实现了KCr3As3单晶和多晶从自旋玻璃态到超导态的有效调控，提出了氢进入Cr3As3的可能机制。在此基础上，通过电化学方法进一步对KCr3As3多晶进行氢掺杂，最终得到了抗磁体积分数约为130%、Tc为5.8K的K2Cr3As3Hx稳定多晶。对其细致的物性研究表明，KCr3As3H0.45多晶样品存在相分离，少数相为超导态，多数相为自旋玻璃态。通过第一性原理计算，发现氢掺杂导致电子掺杂效应，表明K2Cr3As3Hx体系的超导电性很可能与K2Cr3As3的超导电性具有相同的起源。总之，以上对于准一维铬基超导体的研究为统一理解非常规超导机理提供重要参考。