压力作用下奇异金属中超导电性的探索与研究

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自1911年Onnes发现水银的超导电性后,1986年J.G.Bednorz和K.A.Muller等人发现了第一个铜氧化物高温超导体家族,再之后于2008年H.Hosono等人又发现了新型的铁基高温超导体家族。新超导材料、体系的发现与探索,不断推动着超导物理领域的持续发展,为超导理论、实验研究提供新的平台。近年来不断发现新的材料在高压下出现超导,因此压力调控作为探索新超导的重要手段之一,越来越受到科学家的重视。除了在新超导材料的探索领域以外,研究压力下超导电性的演变,也为超导机理的研究提供了新的思路。本篇论文基于高压测量手段,深入研究了一些奇异金属的性质,并尝试诱导超导电性,同时详细研究了半金属铋在压力下的超导电性。本文第一章主要介绍了超导的基本概念与发展,同时回顾了一些重要的超导家族,给出了一些材料在压力下的相图,并介绍了目前探索新超导材料的现状。第二章详细介绍了在实验室中合成样品所采用的固相法,助熔剂法和气相输运法等,以及对超导样品进行成分分析、结构表征、磁化、电阻的测量等实验方法,和高压下电阻、磁化的实验方法。第三章中我们对可能含自旋密度波的MAX(M:过渡金属;A:ⅢA族元素;X:碳或氮)相化合物Cr2GaN进行了掺杂与压力的研究。Cr2GaN属于P63/mmc空间群,通过化学掺杂,我们成功的将锗元素引入镓位。研究发现在Cr2Ga1-xGexN中,锗元素的掺杂极限约为25%。随着锗的掺入,晶格参数a轴逐渐变大,同时c轴逐渐减小。Cr2GaN在大约170 K附近存在一个相变,通过之前的电阻、磁化测量指出这可能是一个自旋密度波相变。在相变附近的电阻和磁化行为与铁基超导母体有非常相似的性质。通过将锗引入系统,我们成功的压制了这个可能的自旋密度波转变温度。同时,该转变温度在最大到1.1 GPa的静水压下没有发生明显的变化。通过锗掺杂和静水压力,我们都没有观察到任何超导迹象。第四章介绍了我们通过高压手段在外尔半金属TaP中诱导出的超导电性。外尔半金属是一类因空间反演对称性或时间反演对称性破缺,而拥有成对的三维狄拉克锥的材料。超导性来自于配对的电子的量子凝聚态,因此调控外尔半金属进入超导态将可能产生许多有趣的现象,因而具有非常重要的意义。本章中会介绍,通过对外尔半金属TaP进行最高压力到100 GPa的电阻测量,我们发现TaP在在大约70GPa出现超导。在压力卸去后,超导性可以得到保留。电阻率和磁阻在压力下系统性的变化,可以很好的由化学势和成对的外尔点间的相对移动来解释。基于同步辐射高压粉末衍射实验和密度泛函理论计算,都显示了在70 GPa附近,TaP转变成P-6m2结构,且高压P-6m2结构依然具有外尔性。我们在TaP中高压诱导出超导的这一发现,将激发后续研究并关注在外尔半金属中的超导性。在第五章中,我们研究了在压力下半金属铋的超导性质。在1.6 GPa以下,铋的温度依赖电阻率显示出了半金属性。随着压力升高,在低温区电阻率出现上翘,并一直持续到大约2.52 GPa,这可以解释为半导体行为。之后随着压力继续增加,电阻出现了非单调性的温度依赖关系,同时伴随着低温区电阻上翘行为的强烈压制。当压力至大约2.63 GPa时,铋在3.92 K出现了超导转变。随着压力继续增加到2.8 GPa,第二个超导转变开始出现,Tc= 7 K。通过高压磁化测量,发现这两个超导转变对应的超导体积很大。随着压力增加至8.1 GPa,我们发现了第三个超导转变,Tc=8.2 K。对于超导转变温度为3.92 K的铋-Ⅱ相,上零界场非常低。根据WHH理论,拟合得到的上零界场Hc2仅为0.103 T。而对于超导转变温度为7 K的铋-Ⅲ相,有相对高的上零界场,约为4.56 T。最后,我们给出铋单晶在压力下的相图。我们的这一结果显示了铋单晶在压力下非常有趣与丰富的物理。文章的最后,我们对全文进行了总结。
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