CrAs是具有螺旋反铁磁序的关联金属。常压下,CrAs具有“MnP”型正交晶体结构,随着温度降低,在TN≈ 265 K会发生一级的顺磁-反铁磁相变,形成双螺旋反铁磁结构,即Cr离子自旋(~1.7μB)躺在ab平面内旋转,螺旋传播方向沿着c轴。
实验还发现,螺旋反铁磁相变还同时伴随着等结构转变,即空间群保持不变,但晶格参数出现跳变,特别是b轴在TN处突然变化~4%,同时电阻率和磁化率在TN处也表现出跳变。
2014年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理实验室的雒建林研究组和程金光研究组联合日本东京大学教授Yoshiya Uwatoko等合作者,通过对CrAs单晶开展高压下的电阻率和交流磁化率测量,发现高压会逐步抑制一级反铁磁相变,并首次在反铁磁序消失的临界压力Pc≈7kbar附近观察到体超导电性,实现了Cr基化合物超导体零的突破。
接着,他们又利用高压抑制了MnP中的长程磁有序并观察到超导电性,实现了首个Mn基化合物超导体。这些发现吸引了国内外同行的较大关注,他们应邀撰写了关于CrAs和MnP压致超导的综述。由于在CrAs的温度-压力相图中,超导相毗邻螺旋反铁磁有序相,跟铁基和重费米子等非常规超导体的相图非常类似,意味着反铁磁临界涨落可能是超导电子配对的重要媒介。
然而,由于CrAs的螺旋反铁磁序同时伴随着强烈的一级等结构相变,之前的研究并没有给出螺旋反铁磁序和结构相变随压力演化的直接证据,而且在超导出现的临界压力附近是否存在强的反铁磁临界涨落缺乏实验依据。
为了深入解释CrAs中的超导电性与螺旋反铁磁序之间的关联,程金光研究组和雒建林研究组联合美国橡树岭国家实验室、日本东京大学、中国人民大学、美国莱斯大学等多个研究机构的合作者,采用物理压力和化学压力相互补充的研究思路,测量了CrAs单晶高压下的中子衍射、CrAs1-xPx样品的非弹性中子散射,详细分析了CrAs单晶高压下的电阻率和磁化率数据以及CrAs1-xPx单晶的电阻率和比热数据,全面获得了结构相变和螺旋反铁磁序随压力演化的规律以及自旋涨落的动力学信息,并提供了反铁磁量子临界涨落对正常态电输运性质影响的重要实验证据,最后结合理论分析,指出尽管结构相变仍为一级相变,但螺旋反铁磁相变在压力下消失时接近连续的二级相变。
对CrAs的这些研究结果进一步体现了“bad metal”中量子临界性的典型特征,为理解CrAs甚至铁基超导体系中的非常规超导机制提供了新的思路。
上述研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、中科院B类先导专项和前沿重点项目的支持。