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壓力下的奇跡，浙江大學團隊開創鉻基籠目超導體研究新篇章

文章來源：更新時間：2024-09-02 15:22:32

浙江大學曹光旱教授攜手北京凝聚態物理國家實驗室及中國科學院物理研究所的程金光研究員和周睿研究員，共同為我們帶來了令人驚嘆的發現 —— 鉻基籠目金屬 CsCr?Sb?，在3.65-8.0GPa壓力下出現超導圓頂，該成果為研究相關系統中的超導性提供了平臺，發表在《Nature》上。

一、竹編之美帶來科學啟迪

傳統竹編制品中那獨特的籠目圖案，共用頂點的正三角形彼此相連，宛如一幅精美的幾何畫卷。這一圖案近年來深深吸引了科學家們的目光，他們將具有這種晶體結構的材料命名為籠目材料。理論預言，籠目晶格結構的材料有望展現出特殊的電子行為和磁學性質，仿佛一個充滿魔力的搖籃，孕育著無數新奇的量子態和物理效應。

近十余年，籠目結構材料成為了凝聚態物理學領域的焦點，2019 年，釩基籠目晶格材料 AV?Sb?（A = K, Rb, Cs）的橫空出世，更是將這股熱潮推向了新的高度。這類材料展現出超導電性、“非常規” 電荷密度波、“反常” 霍爾效應、配對密度波、電子向列序和時間反演對稱性破缺等令人目不暇接的新奇物態和現象，仿佛一座神秘的寶藏，等待著科學家們去挖掘和探索。

“我們一直想在籠目這一新興體系中實現非常規超導。” 曹光旱教授的話語充滿了堅定與執著。當前，常規超導的形成機理已有成熟的理論，但對于高溫超導等非常規超導體，人們對其機理還缺乏共識。已有的非常規超導 “品種” 還不夠豐富，發現非常規超導體對于基礎科學和應用研究來說都具有重要價值。而釩基籠目材料的超導電性的來源仍可用常規超導機理來解釋，這讓科學家們渴望在籠目體系中找到真正的非常規超導。

二、CsCr?Sb? 登場：強關聯 “壞金屬” 的獨特魅力

研究團隊認為完全由鉻替代的新化合物 CsCr?Sb? 可能存在局域磁矩，再加上籠目晶格的幾何阻挫特性，這樣有可能通過抑制磁性，產生非常規超導。。“通常 5 克原材料才能得到不足 5 毫克的樣品。” 劉藝博士回憶道，“由于目標產物是個亞穩相，實際生長出來的產物大都是熱力學穩定相，因此產率僅約為千分之一。單晶的尺寸也基本在 0.5mm 以內，與筆尖的粗細相當。” 這漫長而艱辛的實驗之路，充滿了挑戰與挫折，但他們從未放棄。

在 “千里挑一” 的鉻基籠目結構 CsCr?Sb? 晶格中，三個鉻原子構成一個正三角形，成為一個 “目”。實驗人員通過對這來之不易的 CsCr?Sb? 單晶進行電阻、磁化率、比熱以及核磁共振等測量，發現該新材料不同于釩基籠目體系。它是一種強關聯 “壞金屬”，具有獨特的自旋密度波。

研究人員通過施加壓力，磁有序或密度波序被逐漸抑制。這是一場充滿挑戰的實驗，每一個壓力的調整都可能帶來不同的結果。隨著壓力的變化，超導電性終于出現。CsCr?Sb? 的最高超導轉變溫度（6.4 K）出現在磁有序消失的壓力點（亦被稱為量子臨界點，QCP）附近，此時的上臨界磁場超過泡利順磁極限。同時，高溫正常態顯示出非費米液體（或者叫做奇異金屬）行為。

美國萊斯大學物理學斯其苗教授及其合作者在其論文中評價這項工作時表示，鉻基籠目超導體 CsCr?Sb? 的發現為籠目材料家族增添了一位新成員，它開辟了一個激動人心的研究方向。憑借其獨特的現象和多軌道特性，該化合物將為研究平帶上的電子關聯提供獨特的研究平臺。

三、未來展望：超導之路，永不止步

CsCr?Sb? 是一類新的籠目材料體系，具有與籠目晶格相關的平帶和幾何阻挫等特性，其壓力誘導的超導電性展現出非常規超導體的許多共性。未來，科學家們將對它進行更加深入的研究，探索其背后的物理機制，解開非常規超導機理的神秘面紗。

非常規超導材料的發現不僅對基礎科學研究具有重要意義，還有望在未來的科技應用中發揮巨大的作用。例如，在能源傳輸、量子計算等領域，超導材料的應用將帶來革命性的變化。CsCr?Sb? 的出現為我們帶來了新的希望，未來，科學家們將努力拓展其應用領域，讓這一神奇的材料為人類的發展和進步做出貢獻。

超導研究是一個全球性的課題，需要各國科學家的共同努力。CsCr?Sb? 的發現將吸引更多的國際科研團隊加入到籠目材料的研究中來，通過國際合作與交流，共同攻克技術難題，推動超導研究的不斷發展。

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來源：賢集網
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