进展 | 铁磁量子临界点及其附近的超导相|2019-08-05

铁磁和超导都是凝聚态物理的重要分支。早在上个世纪80年代，Appel和Fay两位理论工作者就认为，无论是在铁磁有序态里还是在顺磁态里，铁磁涨落都会导致p波自旋三重态超导的出现。这种超导态与常规的s波自旋单重态超导不同，包含更加丰富的物理。但是实验进展非常缓慢，这是因为这种新奇超导态的出现需要满足三个条件: 处于铁磁有序态附近、高晶体质量和极低的温度。目前确认的与铁磁相关的超导体非常稀少。5f电子体系的UGe₂在铁磁有序态里出现超导（超导转变温度T_sc小于1K），证实了理论的预言。但是，一旦铁磁有序态被抑制，超导并没有出现。因此，人们对顺磁态铁磁涨落背景下的超导依然缺乏认识。

不过，铁磁涨落能引起超流已经被证实。超流与超导类似，都是由费米子配对凝聚引起的。³He中存在两个超流相，即A相和B相。A相为p波ABM（Anderson-Brinkman-Morel）态，³He原子对存在Sz = 1（↑↑）和Sz = -1（↓↓）两个成分，能隙函数中存在点状节点。B相为p波BW（Balian-Werthamer）态，³He原子对存在Sz= 1（↑↑）、Sz= 0（1/√2)（↑↑+↓↓））Sz= -1（↓↓）三个成分，能隙是各向同性的。众多事实证明，³He中的自旋三重态超流是由铁磁涨落引起的。近年来，人们对³He超流相有了更进一步的认识：它们是拓扑非平凡的，A相与拓扑外尔半金属类似，B相属于DⅢ拓扑类。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郑国庆研究组（SC9组）的博士研究生罗军与物理所任志安研究员（SC10组），石友国研究员（EX10组）等人合作，利用核四极矩共振（NQR）测量发现，可对3d巡游电子体系的顺磁铬基化合物A₂Cr₃As₃（A =碱金属）进行调控。随着碱金属原子半径的增大，系统逐渐向铁磁量子临界点趋近。他们的研究首次给出了铁磁量子临界点（QCP）附近的超导相图。

研究团队测量了A₂Cr₃As₃（A = Na，Na_0.75K_0.25, K, Rb）的自旋晶格弛豫率（1/T₁）的温度依赖性，从而得到了正常态磁涨落强度和超导态能隙对称性的信息。他们发现从Na过度到Rb，铁磁涨落逐渐增强，如图1所示。即，随着碱金属半径变大，系统逐渐靠近铁磁QCP。他们发现这可归因于Cr2-As2-Cr2键角α逐渐向90°靠拢从而增强了铁磁相互作用。而当系统偏离QCP时，T_sc逐渐上升，在Na₂Cr₃As₃处达到了8K。这种行为与反铁磁QCP处T_sc为极大值形成鲜明的对比。此外，他们还研究了超导态的性质，发现1/T₁在T_sc之下快速下降且没有相干峰，四个样品的1/T₁在特征温度T* ≈ 0.6T_sc之下正比于T⁵，这说明A₂Cr₃As₃家族的超导能隙中普遍存在点状节点。

这些实验结果表明A₂Cr₃As₃可能是超流³He的固态翻版。因此，这项成果架起了一座连接强关联、非常规超导以及拓扑物理三大研究领域的桥梁。

相关研究结果已经发表在Phys. Rev. Lett. 123, 047001 (2019)。

该工作得到国家自然科学基金（11674377，11634015，11774399），科技部（2016YFA0300502，2017YFA0302901，2017YFA0302904）以及中科院青促会的支持。

图1：A₂Cr₃As₃体系的相图（上）、UGe₂压力下的相图（中）以及铁磁QCP附近的理论相图（下）。T_sc代表超导转变温度，θ为表征磁涨落强度的物理量，是从对1/T₁T数据进行拟合（1/T₁T∝1/ (T +θ)）得到的。θ越小，代表离铁磁QCP越近。从Na到Rb，系统逐渐向铁磁QCP靠近。

图2：（a）四个样品1/T₁随温度变化。箭头代表T_sc（b）用T_sc处的数据归一化后的1/T₁，箭头代表特征温度T^*，低于T^*时1/T₁正比于T⁵，表明能隙中存在点状节点。