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Cr基、Mn基等新超导体材料的探索

3d族过渡金属化合物具有非常丰富的量子态和新奇量子现象，如磁有序、巨磁电阻、自旋和电荷密度波、金属-绝缘体相变、多铁性、超导等。这些性质中，铜基和铁基出现的非常规高温超导电性是凝聚态物理的核心研究内容之一。目前，在元素周期表上的3d元素中，除Cr和Mn外，所有其它元素都存在超导的化合物。探索Cr和Mn基的化合物超导材料，特别是非常规超导电性是长期以来超导材料和超导物理研究的重要内容。

2014年，由中国科学院物理研究所雒建林研究组、程金光研究组、靳常青研究组和日本东京大学的Yoshiya Uwatoko教授等合作，发现CrAs在高压下超导，实现了Cr基化合物的第一个超导体。 2010年本组博士生吴伟在国际上首次成功制备出CrAs单晶，并开展高压下的物性研究和可能的超导电性探索。常压下，CrAs在270K时发生双螺线型的反铁磁有序相变，同时伴随着晶体结构相变。在高压下，其反铁磁温度被压制，同时在1Gpa附近，其表现出超导电性。最佳压力附近，正常态电阻率表现出非费米液体行为。多个实验证据表明CrAs具有非常规超导电性: 其温度-压力相图显示体超导电性出现在反铁磁序被压制后，这与铜基、铁基和重费米子超导体具有非常类似的相图，是典型非常规超导电性的特征，意味着反铁磁涨落可能是超导配对的原因。上述结果均揭示出CrAs不但是Cr基化合物的第一个超导体，同时也是一个非常规超导体。这一工作发表在Nat. Comm. 5， 5508 (2014).

2015年，中国科学院物理研究所极端条件物理实验室程金光小组、雒建林小组和日本东京大学Yoshiya Uwatoko小组合作，首次在MnP中实现了高压诱导的磁性量子临界点并观察到超导电性，从而实现了Mn基化合物的第一个超导体，打破了人们之前普遍认为含Mn的化合物不超导的认识。常压下，MnP具有与CrAs类似的正交晶体结构，经历了两个磁相变：首先，在Tc = 291 K具有铁磁相变，然后在Ts = 52 K从铁磁态转变为双螺旋反铁磁结构。MnP 在高压下双螺旋反铁磁序T_s在~1GPa已被完全抑制掉，而铁磁序TC随着压力增加也逐渐降低，在3-4 GPa转变成一种新的反铁磁序，最终在Pc ≈ 8 GPa将反铁磁序完全抑制掉，在反铁磁量子临界点附近出现了Tsc ≈ 1 K的超导电性。MnP的温度-压强相图跟CrAs及前面提及的非常规超导体系有非常相似之处，即超导出现在反铁磁量子临界点附近。这些结果表明MnP极可能具有非常规超导电性，反铁磁量子涨落是超导配对原因。这一工作发表在Phys. Rev. Lett. 114, 117001 (2015)，并被选为 “Editors’ Suggestion”。同时，美国阿贡实验室的Michael R. Norman专门在Physics 8, 24 (2015)撰文（Viewpoint），对上述工作进行评述，他指出CrAs和MnP中超导的发现为研究螺旋磁性和超导的关系提供了重要的模型体系，而目前在这方面的研究是非常少的。    

    2019年，中国科学院物理研究所吴伟、雒建林等人以及中国人民大学刘凯、上海科技大学于振海在一种稀土铬基氮化物Pr3Cr10-xN11中发现超导电性，这是人工合成的第一个Cr的氮化物超导体。Pr3Cr10-xN11是具有嵌套结构的立方晶系材料，存在两种不同的Cr原子位置。其超导转变温度在5.25 K附近，零电阻效应、迈斯纳抗磁现象以及比热跳变等实验证据证明了其超导电性的存在。研究还发现，该材料的电子比热系数与一般Cr基化合物相比较大，是理论值的10倍，说明关联效应在这个材料中起了很大的作用。在新发现的Pr3Cr10-xN11超导体中，实验发现其上临界磁场同样超过了Pauli顺磁极限。这种现象在三维高对称材料超导体十分少见，说明Pr3Cr10-xN11可能同样具有非常规超导电性，其超导配对对称性和超导机制还有待进一步探究。这项工作发表在Natl. Sci. Rev. 10, 1093 (2019). 

      很快，吴伟、雒建林等人在MnP结构中的5d化合物WP中发现超导电性。第一次合成大尺寸的WP单晶，并且在0.8K发现其超导性质，这也是MnP结构中第一个常压的磷化物超导体。WP因为有5d电子而具有比较强的电子轨道耦合，最近的拓扑计算表明，这个材料也是一种拓扑高对称线性半金属(high symmetry line semimetal)，对我们以后寻找更多超导体，以及研究拓扑超导体有指导作用。该工作发表在Phys. Rev. B 99, 184509 (2019).

　　本工作得到国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院B类先导专项的支持。