PrCr2Si2C结构中的超导探索和研究

The compounds with 3d、4d transition metals are generally under the consideration, when we look for the new superconductors in the thought of strong electronic correlations. In the strongly correlated systems, the strong interaction of electrons would lead to the occurrence of antiferromagnetic and novel metallic states. And new superconductors can be induced through the high pressure or chemical doping. The compounds with the PrCr2Si2C structure containing the 3d、4d transition metals, have a lot of similarities with the two well-known high temperature superconducting families (Cuprates and Iron based superconductors) in the chemical structures and physical properties. All of them belong to the strongly correlated systems, are tetragonal layered structured, possibly exist the super-exchange interaction caused by coupling between the d and p electron orbitals, and display some novel physical phenomena like antiferromagnetic, mott insulation et al. The core task of this project is to find new unconventional and even high temperature superconductors in the PrCr2Si2C structure.

强关联思路下寻找新型超导体时，一般考虑含有3d、4d过渡金属的化合物。这类材料电子间的相互作用较强，通常会伴随着反铁磁和奇异金属态出现。通过压力或化学掺杂会诱导出新型超导现象。PrCr2Si2C结构体系普遍含有3d、4d过渡金属，它在结构和物理性质上与已知的两大高温超导家族（铜基和铁基）存在很多相似性。它们都属于较强的电子关联体系，都是四方层状结构，都存在或可能存在d电子和p电子轨道耦合带来的超交换作用，都存在反铁磁或莫托绝缘体等新奇的物理现象。本项目的核心课题在于从PrCr2Si2C结构出发，采用遍历的方式，寻找新的非常规乃至高温超导体。

具有PrCr2Si2C结构的化合物，在结构和物理性质上与已知的两大高温超导家族铜基和铁基存在很多相似性。项目围绕PrCr2Si2C结构出发，对3d，4d过渡金属通过遍历的方式，寻找具有该类结构的新化合物乃至新超导体。在探索过程中，我们成功发现了一类具有该结构的新化合物，即含3d过渡金属钒的新化合物CsV2Se2-xO(x =0, 0.5)。通过X射线衍射技术和Rietveld拟合确认了CsV2Se2-xO的结构符合PrCr2Si2C的结构特征。进一步利用低温去插层法，我们同时获得了另一个新的化合物V2Se2O。V2Se2O保留了CsV2Se2O中的四方层状结构，依然属于PrCr2Si2C结构家族。虽然在该钒基系统，我们没有发现超导，但该系统的确存在很多与铜基或铁基相似的性质。例如在CsV2Se2-xO中出现了与铁基相似的磁相变；在V2Se2O系统中，我们还发现其电阻率ρ存在正比于log1/T的关系。这与一些铜氧化物的基态或母体电阻行为很类似，很可能与关联性有关。与此同时，我们利用高温高压合成技术，制备了一种已知的无毒性的铜氧化合物超导体(Cu,C)Ba2Ca3Cu4O11+δ，其临界温度约为116K。与现有的其他超导体相比，该超导体在液氮温区直至116K具有最高的不可逆磁场，有一定的应用前景。利用高温高压的合成手段，我们还发现了一个新的无毒高温铜氧化物家族Ga-Ba-Ca-Cu-O。研究发现该家族包括Ga-1223，Ga-1234等多个超导化合物，超导临界温度可以达到116K。发现了具有一定关联效应的过渡金属新化合物ScZrCo，压力可以压制其半导体行为并实现超导。Nd0.8Sr0.2NiO2的薄膜被报道具有9-15K的超导电性，因其结构与铜氧母体相似，能带结构也类似，且同为3d9轨道主宰而备受理论学家的关注。我们合成了Nd0.8Sr0.2NiO2多晶块体，实验表明其多晶并不超导。该工作对镍氧基超导的研究具有重要的参考意义。我们还系统研究了Nd4Ni3O10和Nd4Ni3O8物理性质。磁和电输运的测量，结合高压电阻表明两种化合物具有相反的物理行为。该工作为进一步寻找镍氧基超导提供了参考。