王猛教授团队在磁性材料高压超导机理研究中取得新进展

        人类生活的自然环境压强约为100 千帕(kPa)，地心压强可以高达上百吉帕（GPa），为自然环境的几万倍。在高压下，气体会被压缩成固态，成为能量密度极高的能源材料；金属钠在高压下会成为绝缘体；一些绝缘材料在压力下会变成导体；还有一些材料在压力下电阻会完全消失，成为超导体。科学家们努力在实验室中实现高压条件，研究材料在高压下的物理性质，试图发现新物态、新物性、新机理。

      beat365中国唯一官方网站王猛教授课题组自2017年开始搭建金刚石对顶砧压腔高压实验平台，目前已经可以实现百万大气压强，配合同步辐射光源，综合物性测量系统，低温电学测试设备，拉曼光谱仪等手段，可以进行高压下的晶体结构、电输运、直流磁化率、交流磁化率、拉曼光谱测量实验。

       2020年王猛教授课题组生长了一种新的庞磁阻半导体材料EuTe₂单晶样品。通过改变磁场大小，EuTe₂单晶样品电阻值可以改变100万倍，通过变化磁场角度电阻值变化也可以达到100万倍，具有超高的磁阻（MR）和磁阻各向异性（AMR）。韩国一研究团队2021年在Nature杂志发文认为EuTe₂在发现时具有最高的MR和AMR。磁阻效应是目前计算机高密度读出磁头和磁存储元件的物理基础，曾在2007年获得诺贝尔物理学奖。结合中子衍射等实验及理论分析，王猛教授研究团队最终确定了磁阻机理为自旋结构驱动的电子能带劈裂，导致电子带隙关闭形成较高的磁阻效应。相关成果在美国物理学会杂志发表Physical Review Materials 4, 013405 (2020)。

 图1.EuTe₂压力下的电阻测量

        EuTe₂为小带隙磁性半导体材料，易于被压力调控。王猛教授课题组利用金刚石对顶砧压腔实验技术对EuTe₂进行了高压下的物性研究，发现压力超过5 GPa时出现超导电性、在16 GPa时EuTe₂发生了结构相变，并且在结构相变后依然超导。Eu具有很强的磁性，一般不显示超导电性。然而，在EuTe₂中，结构相变前超导电性需要22 T的磁场才可以破坏超导电性，远超过常规超导机理估算的临界磁场上限。这个结果引发了一个重要科学问题，EuTe₂中高压下发现的超导电性是由于电子和声子耦合导致的常规超导还是其他机制导致的非常规超导？经过实验和理论的系统研究，研究团队确认超过理论值的上临界磁场是由于+2价Eu离子的内建磁场导致。磁场会改变磁结构，而不同磁结构会在样品中形成不同内建磁场。超导电子对感受到的磁场是外加磁场与内建磁场共同作用的结果。当内建磁场与外加磁场方向相反时，外加磁场可以远超过常规超导机理预言的理论值。这正是由Jaccarino和Peter两位科学家在1962年提出的一种磁与超导电子的作用机制，然而在实际材料中较少被观测到。在高压相变后，EuTe₂成为非磁性材料，其超导上临界磁场也明显降低，完全符合理论预期。本项工作确定的物理机制可以用来解释一批具有较高上临界磁场但同时具有大磁矩的磁性超导材料。相关成果在近期的Nature出版社旗下期刊发表Communications Physics 6, 40(2023)。

图2.EuTe₂在7.0 GPa压力下不同磁性状态对应的超导及临界磁场

        以上工作第一作者分别为王猛教授团队硕士研究生殷俊杰同学以及孙华蕾副研究员，通讯作者为王猛教授。参与工作的人员包括beat365中国唯一官方网站姚道新教授及团队成员、沈冰副教授、侯玉升副教授、王伟良副教授、张云蔚副教授，化学学院李满荣教授及团队成员、中国人民大学程鹏副教授、张红霞副教授、中国原子能研究院郝丽杰研究员、美国莱斯大学戴鹏程教授等人。王猛教授团队开展以上工作得到beat365中国唯一官方网站百人计划二期项目、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重点项目、广东省磁电物性分析与器件重点实验室等支持。

      文章链接一：https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.4...

      文章链接二：https://www.nature.com/articles/s42005-023-01155-7