物理所等發現高壓誘導的磁性量子臨界點和MnP超導電性

　　近年來的大量研究表明，量子臨界性是強關聯電子體系中諸多反常物理現象的共通性特征。對于目前已知的很多非常規超導體系，包括重費米子、銅基和鐵基超導體，它們的超導相圖Tsc(δ=調控參量)都可以在反鐵磁量子臨界點的框架下得到統一的理解，即超導的出現往往伴隨著反鐵磁序的消失，而且圓拱狀Tsc(δ)的最佳Tscmax往往處在量子臨界點δc附近，這意味著超導配對機制可能與反鐵磁漲落具有緊密聯系。因此，實現反鐵磁量子臨界點成為探索新的非常規超導體的重要途徑。

　　化學摻雜和施加高壓是實現反鐵磁量子臨界點經常采用的調控手段。相對于化學摻雜，高壓調控具有不引入晶格無序和實現精細調控的特點。最近，在通過高壓調控發現第一個Cr基化合物超導體CrAs的工作基礎上【Nature Communications 5, 5508 (2014)】，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）極端條件物理實驗室程金光小組、雒建林小組和日本東京大學Yoshiya Uwatoko小組合作，首次在MnP中實現了高壓誘導的磁性量子臨界點并觀察到超導電性，從而實現了Mn基化合物的第一個超導體，這是3d過渡族金屬化合物超導體探索的一個重要進展，打破了人們之前普遍認為含Mn的化合物不超導的認識。這一工作發表在Physical Review Letters 114, 117001 (2015)，并被選為 “Editors’ Suggestion”。同時，美國阿貢實驗室的Michael R. Norman專門在Physics 8, 24 (2015)撰文（Viewpoint），對上述工作進行評述，他指出CrAs和MnP中超導的發現為研究螺旋磁性和超導的關系提供了重要的模型體系，而目前在這方面的研究是非常少的。

　　常壓下，MnP 具有與CrAs類似的正交晶體結構，隨著溫度降低經歷了兩個磁相變：首先，在TC = 291 K 附近發生從順磁到鐵磁轉變，然后在Ts = 52 K從鐵磁態轉變為雙螺旋反鐵磁結構。在Ts < T < TC 的鐵磁區，Mn3+磁矩沿著b軸平行排列，在低溫時磁矩達到~1.3μB/Mn；當T < Ts 時，自旋在ab 平面內旋轉，螺旋傳播方向沿著c 軸，類似于CrAs，但是螺旋的周期遠大于CrAs。通過采用大腔體立方六面砧壓腔和對頂砧式壓腔，在很寬的靜水壓范圍內測量了MnP 高壓下的電阻率和交流磁化率，發現雙螺旋反鐵磁序Ts在~1GPa已被完全抑制掉，而鐵磁序TC隨著壓力增加也逐漸降低，在3-4GPa轉變成一種新的反鐵磁序，最終在PC≈8 GPa將反鐵磁序完全抑制掉，在反鐵磁量子臨界點附近出現了Tsc≈1K 的超導電性。如圖(a)所示，MnP的溫度-壓強相圖跟CrAs及前面提及的非常規超導體系有非常相似之處，即超導出現在反鐵磁量子臨界點附近。而且，MnP正常態電阻率在PC附近表現出非費米液體行為和電子有效質量的大幅度提高。這些結果表明MnP極可能具有非常規超導電性，反鐵磁量子漲落是超導配對原因。

　　該工作得到國家自然科學基金委員會、科技部和中科院B類先導專項的支持。

圖(a) MnP的溫度-壓強相圖。高壓首先將鐵磁(FM)序壓制，然后在3-4GPa將鐵磁序改變為反鐵磁序(AFM)，最后在Pc≈8GPa將長程磁有序完全抑制，同時低溫出現超導電性(SC)。AFM序是否與螺旋反鐵磁序(Screw)類似有待進一步實驗研究。(b, c)通過對正常態電阻率在低溫極限下利用ρ(T)=ρ0+AT2擬合獲得的剩余電阻率ρ0和電阻率系數A隨壓力的變化，它們在Pc附近均表現出顯著增強。