高压下强关联体系中超导电性的探索

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自从1911年Onnes发现超导现象以来,无论是基础研究层面还是应用层面,超导都受到了极大的关注。而强关联体系作为凝聚态物理中比较核心的一部分,自然也是人们关注的重点。具有强关联性质的超导体系,包括铜氧化物超导体,铁基超导体以及重费米子超导体等等,其机理远远不是传统的BCS理论能够完美解释的。压力作为一种干净的电子调控方式,既能调节电子态的关联强度,同时也是超导相图中不可或缺的自变量,自然是研究超导和强关联关系的桥梁。一方面,通过对于已知超导的强关联体系进行加压实验,能够系统地得到该体系临界温度和其他相变温度对压力的演变规律,对于理解强关联超导体系的超导机理具有极大的帮助;另一方面,对于常压不超导的强关联体系,尝试加压诱导出超导电性,可以分析强关联体系与超导电性的关系,帮助我们寻找更多更丰富的非常规超导体系,为进一步探究非常规超导机理提供合适的平台。本文研究的材料包括铁基体系,合金体系和有机导体体系的部分材料。对其进行加压实验,有些体系出现了超导现象,有些体系即使竞争序被压制也没有出现超导现象,这证明了压力下强关联体系的丰富物理内涵。论文第一章,首先介绍了超导的发展历史以及常规超导体和非常规超导体的研究现状,其中重点介绍了解释常规超导体的BCS理论,常规超导体的比热,以及各类超导体丰富的压力相图。最后,对部分具有关联电子特性的稀薄超流的超导体系进行了简单介绍。论文第二章,简单介绍了样品制备方法和高压测量的方法。样品制备方法主要包括固相反应法,电弧炉熔融法和电化学反应法。高压测量方法包括活塞圆筒式加压法和金刚石对顶砧式加压法。论文第三章到第五章,介绍了本人在攻读硕博士期间所完成的主要工作:论文第三章,介绍了在新发现的Cs Fe4-xSe4体系中利用高压诱导出了非常规超导电性。这个体系从电荷掺杂的角度看,介于Fe Se与Cs1-xFe2-ySe2之间,理论计算表明该体系应该是一个金属,但是最初的实验发现电阻随温度的变化表现为类绝缘体行为。通过电阻测量,我们证实了类绝缘体行为,并且发现这种类绝缘体行为可以用三维的变程跳跃模型来描述。磁化温度依赖关系表现出了一种偏离居里外斯定律的行为。同时我们观察到比热系数在零温极限下仍然是一个有限值,表明该体系可能具有某种量子自旋基态,并非是一个简单的能带绝缘体。通过高压,我们诱导出了5.1 K的超导电性,该超导电性容易被磁场和电流压制,表现出不同于正常铁基超导体的特征,反而和欠掺杂的铜氧化物很相似。因此我们认为诱导出来的超导电性是建立在强关联背景下稀释的超流形成的。论文第四章,介绍了在Zr0.5Sc0.5Co中新发现的反铁磁性以及高压对该材料电阻性质的影响,并且做了理论解释。通过电弧炉熔融法,我们成功合成了组分为Zr0.5Sc0.5Co的材料,空间群为P m-3m。电阻和磁化测量都表明在大约86K存在一个相变,这个相变可能来自于一个反铁磁序的建立。磁滞回线测量在很宽的温度范围都表现出一种弱铁磁性,揭示了一种可能的倾斜反铁磁排布。在相变温度前后,随着温度升高,常压电阻从费米液体行为变化成线性电阻行为。通过加压到最高32.1 GPa,相变温度变化不大,并且在2 K以上没有观察到超导现象。密度泛函理论计算表明这个材料里的反铁磁序来源于局域的d电子,这些d电子对导电并没有贡献。因此,在这个材料里,巡游和局域的d电子之间的交互作用不明显。论文第五章,介绍了在有机超导体κ-(ET)2Cu(NCS)2中测量得到的丰富的磁场-温度相图和导电性随温度的相图,同时在该体系中观察到了很强的电流压制超导的效应。κ-(ET)2Cu(NCS)2在常压下具有临界温度10.4 K的超导电性,在100K左右存在从高温非相干的坏金属态转变为低温相干的费米液体态的相变。我们对其施加高压发现,在低压力下,超导很容易被压制的同时,金属绝缘转变也会被压制。更高压力下,该样品发生非晶化转变,导致电阻表现出完全的绝缘体行为。通过在零场冷和场冷条件下测量磁化随温度的变化情况,我们得到了磁场-温度相图,并进行了拟合。同时电流很容易压制超导电性,并且临界电流满足与1-(T/Tc)~3成正比的关系。上述性质都指向了这个体系是建立在强配对背景上的稀释超流形成的超导,和欠掺杂的铜氧化物超导体相似。论文第六章,我们对全文进行了总结。
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