关联电子体系中的量子临界性及非常规超导研究

Quantum phase transition is one of the most important issues in condensed-matter physics. A quantum critical point is a point in a system’s phase diagram at which an order is completely suppressed at absolute zero temperature by external pressure, magnetic field or chemical doping. The presence of a quantum critical point manifests itself in the finite- temperature physical properties, and often gives rise to new states of matter. Superconductivity in the cuprates and in heavy fermion materials is believed by many to be mediated by fluctuations associated with a quantum critical point, but not confirmed yet. In this project, we propose to study quantum criticality and unconventional superconductivity in heavy fermion superconductor Ce(Rh0.5Ir0.5)In5, Cr- and Mn-based compounds and iron-based superconductors by combining nuclear magnetic resonance, transport measurements under high pressure and high magnetic fields. We will study the antiferromagnetic order, nematic (orbital) order and superconducting order and the associated quantum critical fluctuations. Through these investigations, we aim to establish the relationship between quantum criticality and the occurrence of unconventional superconductivity, and to construct a generic framework for the physics of quantum phase transition.

量子相变是凝聚态物理中一个非常重要的研究方向。它是通过调节压力，磁场，掺杂等非温度参量而实现的物质有序态消失或改变的现象。零温下序参量被完全抑制的参量点称为量子临界点，它的存在会影响到有限温度的物理性质。在量子临界点周围，强烈的量子临界涨落会迫使电子进行重组。因此，量子相变是形成新型稳定态的高效催化剂。在可能出现的新奇量子态中，最引人注目的是超导。本项目将围绕重费米子材料，CrAs和MnP为主的铬/锰基材料，以及铁基超导体，以核磁共振法为主，结合输运测量，高压，强场等实验手段，对其中的量子临界性及非常规超导态开展研究。重点探测几种各具特色的反铁磁序，向列序，以及超导序的性质。深入研究自旋以及向列（轨道）量子临界涨落，探索其对引发超导的作用。通过对这些关联电子系统的研究，建立量子相变的普适物理框架。

在关联电子体系中，量子相变及其所伴随的量子临界涨落是一个普遍的物理现象。探索关联电子体系中多种类型的有序态和量子涨落的性质，及其与超导的关系，对发现新物态，探索新超导材料，提高超导临界温度有重大意义。我们在本项目中围绕铬/锰基材料，铁基超导体，重费米子材料和铜氧化物超导体，对反铁磁、铁磁和向列相量子临界点的性质及其对非常规超导态的影响开展研究，取得了丰富的成果。.本项目系统研究了A2Cr3As3体系的性质，发现化学替代A位原子可以对体系的性质进行调控。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，我们的研究给出了铁磁量子临界点附近的超导相图。我们还在高质量K2Cr3As3单晶样品上开展了核磁共振实验，首次在实验上直接得到该样品的超导态自旋磁化率。我们的研究证实了K2Cr3As3是一个具有关联电子效应的自旋三重态超导体，可用于研究拓扑超导电性及其可能的技术应用，对这一材料的研究将连接强关联、非常规超导以及拓扑超导三大研究领域。.我们对铁基超导体NaFe1-xCoxAs, LaFeAsO体系的量子临界性和非常规超导开展了研究。这两种材料中除了反铁磁量子临界点之外，超导态下还存在电子向列序消失的向列量子临界点。实验发现电子向列序的涨落有助于提高超导转变温度。本项目还对重费米子材料CeRh0.5Ir0.5In5中的反铁磁量子临界点，YBa2Cu4O8中的电子向列相，Bi2Sr2-xLaxCuO6中的长程电荷密度波有序态进行了研究。这些研究通过厘清不同类型有序态对超导性质的影响，为研究探索非常规超导机理提供新的线索。.此外，我们还在Cr基新超导材料探索方面取得了进展，在稀土铬基氮化物Pr3Cr10-xN11中发现超导电性的存在，成功的实现了第一个Cr的氮化物超导体,并且上临界场和比热测量表明其可能是非常规超导。.