我室闻海虎教授团队在一种新型铁硒基绝缘体材料CsFe4-xSe4中利用高压诱导出非常规超导电性

闻海虎教授团队在一种新型铁硒基绝缘体材料CsFe_4-xSe₄中利用高压诱导出非常规超导电性

超导体的传统理论是1957年由美国科学家巴丁-库柏-施里佛（Bardeen-Cooper-Schrieffer）所发明的BCS理论，该理论因为成功解释了金属和合金中的超导机制而获得1972年的诺贝尔物理学奖。BCS理论的物理精髓是讲在费米面附近动量和自旋相反的两个电子通过交换晶格的虚振动模（所谓声子）而达到吸引作用，形成电子配对，即库柏对。这种电子对作为载流子，其量子统计规律完全不同于金属中的单电子统计规律（即费米-狄拉克统计），而是在有限温度发生量子凝聚现象，从而形成宏观尺度的量子相干态，这也是导致超导态出现零电阻和完全抗磁性的根本原因。因此，在BCS理论范畴内，超导是在金属基态上出现的；也就是说，超导被破坏掉以后应该恢复金属态。

此外，过去30多年以来，人们高度关注具有3d族过渡金属化合物的物理性质，其原因是该类元素中的d轨道电子具有强关联特性，其电子往往既表现出局域化特性，同时又有巡游性。局域化特性赋予这些原子一定的磁矩，而迅游性会带来导电性。目前发现的两大类非常规高温超导体，即铜氧化物超导体和铁基超导体都属于这种类型。这些材料中的磁性以丰富多彩的方式表现出来，有长程反铁磁有序态，也有长程反铁磁有序被破坏以后的自旋涨落态，还有奇异的量子自旋液态（这些自旋或磁矩通过量子涨落形式存在配对单态，即便在零温极限下）。普林斯顿大学著名的理论物理学家，诺贝尔奖获得者Phillip Anderson曾经预言铜氧化物的基态就是这种具有莫特属性的量子自旋液态；往这种自旋液态中掺入空穴，使得处于强关联的电子松动起来，就会出现高温超导。这个超导图像当然是革命性的，完全突破了原来BCS理论的假设和范畴，只可惜目前发现的量子自旋液态材料并不多，即便有屈指可数的几个，也很难通过掺杂或高压方式诱导出超导电性。

闻海虎教授团队最近在一种具有奇异特性的铁基绝缘体材料CsFe_4-xSe₄中，通过高压方式诱导出非常规超导电性。该样品的电阻、磁化和比热测量均表明其性质与具有莫特属性的量子自旋液态吻合。在其上诱导出非常规超导，将会促进其他理论和实验的进一步研究，对高温超导机制研究具有重要启发和指导意义。该工作最近刚刚在美国物理学会的杂志Physical Review X上面发表出来【Phys. Rev. X10, 041008 (2020)】。

该工作是在一种最近报道的铁硒(FeSe)基新材料CsFe_4-xSe₄中发现的。不像它的姊妹材料K_1-xFe_2-ySe₂具有明显的相分离，而CsFe_4-xSe₄并不存在相分离。 FeSe基材料一直是探索铁基超导机理的重要研究对象，其共性在于材料的超导性来源于二维的铁硒导电层，并且在超导转变前的正常态均表现为金属性行为。最近有研究报导了一种新的铁硒基材料CsFe_4-xSe₄，其电阻行为表现为绝缘性，但能带理论计算表明该材料应该具有金属性。由于该材料不存在相分离现象，为开展深入研究其物理性质提供了便利。尽管该材料由FeSe平面，但是该材料为什么表现为绝缘性以及超导性的缺失仍然是一个未解决的问题。

针对这些问题，闻海虎教授团队进行了材料合成和细致深入的物理研究。通过固相反应法他们成功合成了高纯度的CsFe_4-xSe₄多晶样品，并且对其进行了多种测量手段的测量。他们的研究发现该材料确实具有绝缘性，而且电阻温度规律不能用能带绝缘体公式进行拟合，反而可以用三维的变程跳跃模型（通常用于描述关联电子材料或莫特绝缘体性质）进行描述；极低温比热存在一个明显的线性项C/T(T=0)，这是通常能带绝缘体所不应该具有的性质；磁化强度随温度的曲线也没有发现磁有序相变或者满足居里-外斯顺磁性的规律。结合电阻、比热和磁化数据，他们认为该材料可能是具有量子自旋涨落的莫特绝缘体材料。然后通过高压手段，他们发现随着绝缘性的压制和金属性逐渐出现，在一定压力下该材料在5.1 K左右出现了超导现象。有趣的是该超导现象极易被磁场和电流破坏，说明这并不是常规的BCS超导，而是由稀薄载流子产生的超导现象。因此可以合理地认为超导是由在强电子关联背景上出现的少量的库珀对建立的非常规超导现象。这一点和欠掺杂的铜氧化物超导体很相似，因此也揭示了不同体系的非常规超导可能具有类似的超导机制。

图1(a)给出了常压下电阻随温度变化的曲线。经过相关拟合可以发现，能带绝缘体的公式完全不能拟合数据，但是在宽温区内均满足的关系，这种关系与三维的变程跳跃模型相一致，而这种模型通常用于描述具有关联特性的绝缘态。从图1(b)可以看到，比热系数在极低温下存在一个明显的线性项。对于能带绝缘体，绝对不会在零温极限下出现比热线性项，一种解释是该体系的基态存在着量子自旋涨落或者其绝缘性来自于莫特属性。而铁基材料中确实有理论认为存在轨道选择的莫特属性（orbital selective Mottness），从而导致绝缘特性。作者通过细致分析认为该材料可能是具有量子自旋涨落的莫特绝缘体材料。

图1. (a) CsFe_4-xSe₄常压下电阻随温度变化曲线。(b) 常压下CsFe_4-xSe₄比热系数C/T随着T²的变化曲线；红色直线是德拜模型的拟合。

图2. (a) CsFe_4-xSe₄高压下电阻随温度变化曲线。(b)高压下超导被电流压制的情况。

图2(a)给出了CsFe_4-xSe₄样品高压下的电阻随温度的变化。随着压力的增加，可以发现该样品的绝缘性被逐渐压制。且伴随着绝缘性的压制，金属性变得越来越好，然后超导现象出现，直至30GPa左右完全的零电阻现象在3K左右出现。图2(b)展示了最高压力下超导转变被测量电流压制的情况。在很小的电流下，超导零电阻就受到了压制，这一点和欠掺杂的铜氧化物超导体很相似，表明这个体系中的超导现象可能也是建立在强电子关联背景上，由稀薄数量的库珀对所形成的。因此该发现对于探索高温超导电性的共同特征，特别是非常规超导机理方面具有重要意义。样品制备和所有现象都经过重复实验验证，作者还逐一排除了任何其他杂相超导的可能性。图3给出了这种物理图像的示意图，即超导电性出现在具有磁性涨落属性的莫特绝缘体背景之上。