磁性材料高壓超導機理研究取得新進展
人類生活的自然環境壓強約為100 千帕（kPa），地心壓強可以高達上百吉帕（GPa），為自然環境的幾萬倍。在高壓下，氣體會被壓縮成固態，成為能量密度極高的能源材料；金屬鈉在高壓下會成為絕緣體；一些絕緣材料在壓力下會變成導體；還有一些材料在壓力下電阻會完全消失，成為超導體。
科學家們努力在實驗室中實現高壓條件，研究材料在高壓下的物理性質，試圖發現新物態、新物性、新機理。
中山大學物理學院王猛教授課題組自2017年開始搭建金剛石對頂砧壓腔高壓實驗平台，目前已經可以實現百萬大氣壓強，配合同步輻射光源，綜合物性測量系統，低溫電學測試設備，拉曼光譜儀等手段，可以進行高壓下的晶體結構、電輸運、直流磁化率、交流磁化率、拉曼光譜測量實驗。
2020年王猛教授課題組生長了一種新的龐磁阻半導體材料EuTe2單晶樣品。通過改變磁場大小，EuTe2單晶樣品電阻值可以改變100萬倍，通過變化磁場角度電阻值變化也可以達到100萬倍，具有超高的磁阻（MR）和磁阻各向異性（AMR）。韓國一研究團隊2021年在Nature雜誌發文認為EuTe2在發現時具有最高的MR和AMR。磁阻效應是目前計算機高密度讀出磁頭和磁存儲元件的物理基礎，曾在2007年獲得諾貝爾物理學獎。結合中子衍射等實驗及理論分析，王猛教授研究團隊最終確定了磁阻機理為自旋結構驅動的電子能帶劈裂，導致電子帶隙關閉形成較高的磁阻效應。相關成果在美國物理學會雜誌發表Physical Review Materials 4, 013405 (2020)。
圖1. EuTe2壓力下的電阻測量
EuTe2為小帶隙磁性半導體材料，易於被壓力調控。王猛教授課題組利用金剛石對頂砧壓腔實驗技術對EuTe2進行了高壓下的物性研究，發現壓力超過5 GPa時出現超導電性、在16 GPa時EuTe2發生了結構相變，並且在結構相變後依然超導。Eu具有很強的磁性，一般不顯示超導電性。然而，在EuTe2中，結構相變前超導電性需要22 T的磁場才可以破壞超導電性，遠超過常規超導機理估算的臨界磁場上限。這個結果引發了一個重要科學問題，EuTe2中高壓下發現的超導電性是由於電子和聲子耦合導致的常規超導還是其他機制導致的非常規超導？經過實驗和理論的系統研究，研究團隊確認超過理論值的上臨界磁場是由於+2價Eu離子的內建磁場導致。磁場會改變磁結構，而不同磁結構會在樣品中形成不同內建磁場。超導電子對感受到的磁場是外加磁場與內建磁場共同作用的結果。當內建磁場與外加磁場方向相反時，外加磁場可以遠超過常規超導機理預言的理論值。這正是由Jaccarino和Peter兩位科學家在1962年提出的一種磁與超導電子的作用機制，然而在實際材料中較少被觀測到。在高壓相變後，EuTe2成為非磁性材料，其超導上臨界磁場也明顯降低，完全符合理論預期。本項工作確定的物理機制可以用來解釋一批具有較高上臨界磁場但同時具有大磁矩的磁性超導材料。相關成果在近期的Nature出版社旗下期刊發表Communications Physics 6, 40(2023)。
圖2. EuTe2在7.0 GPa壓力下不同磁性狀態對應的超導及臨界磁場
以上工作第一作者分別為王猛教授團隊碩士研究生殷俊傑同學以及孫華蕾副研究員，通訊作者為王猛教授。參與工作的人員包括中山大學物理學院姚道新教授及團隊成員、沈冰副教授、侯玉升副教授、王偉良副教授、張雲蔚副教授，中山大學化學學院李滿榮教授及團隊成員，中國人民大學程鵬副教授、張紅霞副教授，中國原子能研究院郝麗杰研究員，美國萊斯大學戴鵬程教授等。王猛教授團隊開展以上工作得到中山大學百人計劃二期項目、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重點項目、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室等支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.4.013405