物理所等發現高壓誘發的量子自旋液體材料的相變和超導

　　高壓、低溫和強磁場等極端條件在探索新材料揭示新物理現象方面發揮越來越重要的作用。研究材料在這些極端條件下的構效關系，能夠揭示較多奇異且具有潛在應用價值的物理現象。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室研究員靳常青團隊長期研究新興功能材料在綜合極端條件下的構效關系，自主發展了基于金剛石對頂砧的能夠達到百萬大氣壓力、1.5 K低溫和9 T強磁場的綜合極端物性調控技術，并運用該技術在關聯鐵磁材料、超導及拓撲等新興功能材料的構效關系研究上取得了系列重要研究成果。

　　量子自旋液體（Quantum Spin Liquid，QSL）是指由于強量子漲落導致自旋，即使在零溫極限下也不形成磁有序的一種新的自旋量子態。它的基態不產生自發的對稱性破缺，無確定序參量，超越朗道相變理論描述的物相范疇，代表一種新奇的量子物態（Nature 464 (2010) 199）。通常認為，QSL是非常規超導體的母體，經過適當的電子或空穴摻雜后，發生Mott相變，會變成超導（Science 235 (1987) 1196）。因此，開展量子自旋液體從絕緣體到金屬的Mott相變研究，進而探索可能的超導電性，有利于進一步深化學界對量子自旋液體本征物性的理解和揭示非常規超導體的機理。早期研究集中在有機量子自旋液體候選材料（Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 177001）上，但對于結構復雜的有機物來說，系統通常伴隨強無序效應，這為研究Mott相變及超導行為的本征物性帶來干擾。晶體結構相對簡單的無機量子自旋液體材料更適合揭示本征物性，但由于能隙大，一直未實現金屬化及超導。

　　近期，物理所靳常青和副研究員于潤澤指導博士賈雅婷，與中國人民大學物理系教授雷和暢團隊、清華大學物理系教授張廣銘合作，首次在無機量子自旋液體候選材料NaYbSe₂中觀察到壓力誘導的Mott絕緣體金屬化相變和超導電性。NaYbSe2是目前發現的所有QSL材料中結構最簡單的、排除了有機QSL中的結構無序干擾效應、更易聚焦材料的本征物性（Chin. Phys. Lett. 35 (2018) 117501）。研究發現，NaYbSe₂單晶材料從8 GPa到50 GPa一直保持絕緣屬性，但電阻的數值下降了近8個數量級（圖1a）；在58.9 GPa左右高溫區出現金屬化跡象，低溫區出現一個弱局域化區域，該區域隨壓力增加，逐漸向低溫方向移動，且在75 GPa實現完全金屬化（圖1b）；進一步增加壓力，在103 GPa左右出現一個8 K左右的超導相，該超導轉變溫度隨壓力增加基本保持不變，直至測量的最大壓力值126 GPa（圖2）。此外，研究還發現金屬態的低溫區域出現從非費米液體行為到費米液體行為的轉變。高壓同步輻射衍射研究發現，在壓力作用NaYbSe₂在11 GPa左右發生從R-3mH到P-3m1的結構相變（圖3）。

　　NaYbSe₂屬于稀土氧硫族大家族NaYbCh₂（Re=Rare earth，Ch=O，S，Se），該材料體系成員多樣，有利于探究量子自旋液體Mott相變及非常規超導機理；Yb³⁺含有4f電子，為進一步研究f電子材料的超導及可能的重費米子超導提供新平臺。相關研究工作發表在Chin. Phys. Lett.上，研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、中國人民大學科學研究基金等的支持。

　　圖1.NaYbSe₂壓力作用下從絕緣體到金屬的轉變。（a）NaYbSe₂在49.6 GPa以下的電阻隨溫度變化的曲線。（b）NaYbSe₂在58.9到70.4 GPa壓力區間內電阻隨溫度變化的曲線，箭頭所指表示出現弱局域化，插圖是在66.1 GPa壓力下電阻隨溫度的對數曲線。（c）NaYbSe₂壓致變色的光學照片，表明隨壓力增加其能隙逐漸減小

　　圖2.壓力誘發的NaYbSe₂超導電性。（a）NaYbSe₂在74.8到98.9 GPa壓力區間內電阻隨溫度變化的曲線。（b）NaYbSe₂在103.4到126 GPa壓力區間內電阻隨溫度變化的曲線，電阻的突然降低表明出現了超導跡象。（c）126 GPa壓力下超導轉變溫度隨外磁場的變化，證實了超導屬性。（d）R(T) = R₀ + ATⁿ公式擬合金屬態得到的n值隨壓力的變化，表明隨壓力增加發生從非費米液體到費米液體行為的變化

圖3.NaYbSe₂的溫度-壓力（P-T）相圖。其中WL，SC，QSL，FL和NFL分別代表弱局域化、超導電性、量子自旋液體、費米液體和非費米液體