中大新聞網(wǎng)訊（通訊員方春霞）人類(lèi)生活的自然環(huán)境壓強(qiáng)約為100 千帕（kPa），地心壓強(qiáng)可以高達(dá)上百吉帕（GPa），為自然環(huán)境的幾萬(wàn)倍。在高壓下，氣體會(huì)被壓縮成固態(tài)，成為能量密度極高的能源材料；金屬鈉在高壓下會(huì)成為絕緣體；一些絕緣材料在壓力下會(huì)變成導(dǎo)體；還有一些材料在壓力下電阻會(huì)完全消失，成為超導(dǎo)體?？茖W(xué)家們努力在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)高壓條件，研究材料在高壓下的物理性質(zhì)，試圖發(fā)現(xiàn)新物態(tài)、新物性、新機(jī)理。
中山大學(xué)物理學(xué)院王猛教授課題組自2017年開(kāi)始搭建金剛石對(duì)頂砧壓腔高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)大氣壓強(qiáng)，配合同步輻射光源，綜合物性測(cè)量系統(tǒng)，低溫電學(xué)測(cè)試設(shè)備，拉曼光譜儀等手段，可以進(jìn)行高壓下的晶體結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)、直流磁化率、交流磁化率、拉曼光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)。
2020年王猛教授課題組生長(zhǎng)了一種新的龐磁阻半導(dǎo)體材料EuTe2單晶樣品。通過(guò)改變磁場(chǎng)大小，EuTe2單晶樣品電阻值可以改變100萬(wàn)倍，通過(guò)變化磁場(chǎng)角度電阻值變化也可以達(dá)到100萬(wàn)倍，具有超高的磁阻（MR）和磁阻各向異性（AMR）。韓國(guó)一研究團(tuán)隊(duì)2021年在Nature雜志發(fā)文認(rèn)為EuTe2在發(fā)現(xiàn)時(shí)具有最高的MR和AMR。磁阻效應(yīng)是目前計(jì)算機(jī)高密度讀出磁頭和磁存儲(chǔ)元件的物理基礎(chǔ)，曾在2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。結(jié)合中子衍射等實(shí)驗(yàn)及理論分析，王猛教授研究團(tuán)隊(duì)最終確定了磁阻機(jī)理為自旋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的電子能帶劈裂，導(dǎo)致電子帶隙關(guān)閉形成較高的磁阻效應(yīng)。相關(guān)成果在美國(guó)物理學(xué)會(huì)雜志發(fā)表Physical Review Materials 4, 013405 (2020)。
圖1. EuTe2壓力下的電阻測(cè)量
EuTe2為小帶隙磁性半導(dǎo)體材料，易于被壓力調(diào)控。王猛教授課題組利用金剛石對(duì)頂砧壓腔實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)EuTe2進(jìn)行了高壓下的物性研究，發(fā)現(xiàn)壓力超過(guò)5 GPa時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)電性、在16 GPa時(shí)EuTe2發(fā)生了結(jié)構(gòu)相變，并且在結(jié)構(gòu)相變后依然超導(dǎo)。Eu具有很強(qiáng)的磁性，一般不顯示超導(dǎo)電性。然而，在EuTe2中，結(jié)構(gòu)相變前超導(dǎo)電性需要22 T的磁場(chǎng)才可以破壞超導(dǎo)電性，遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理估算的臨界磁場(chǎng)上限。這個(gè)結(jié)果引發(fā)了一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，EuTe2中高壓下發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)電性是由于電子和聲子耦合導(dǎo)致的常規(guī)超導(dǎo)還是其他機(jī)制導(dǎo)致的非常規(guī)超導(dǎo)？經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論的系統(tǒng)研究，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)超過(guò)理論值的上臨界磁場(chǎng)是由于+2價(jià)Eu離子的內(nèi)建磁場(chǎng)導(dǎo)致。磁場(chǎng)會(huì)改變磁結(jié)構(gòu)，而不同磁結(jié)構(gòu)會(huì)在樣品中形成不同內(nèi)建磁場(chǎng)。超導(dǎo)電子對(duì)感受到的磁場(chǎng)是外加磁場(chǎng)與內(nèi)建磁場(chǎng)共同作用的結(jié)果。當(dāng)內(nèi)建磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)方向相反時(shí)，外加磁場(chǎng)可以遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理預(yù)言的理論值。這正是由Jaccarino和Peter兩位科學(xué)家在1962年提出的一種磁與超導(dǎo)電子的作用機(jī)制，然而在實(shí)際材料中較少被觀(guān)測(cè)到。在高壓相變后，EuTe2成為非磁性材料，其超導(dǎo)上臨界磁場(chǎng)也明顯降低，完全符合理論預(yù)期。本項(xiàng)工作確定的物理機(jī)制可以用來(lái)解釋一批具有較高上臨界磁場(chǎng)但同時(shí)具有大磁矩的磁性超導(dǎo)材料。相關(guān)成果在近期的Nature出版社旗下期刊發(fā)表Communications Physics 6, 40(2023)。
圖2. EuTe2在7.0 GPa壓力下不同磁性狀態(tài)對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)及臨界磁場(chǎng)
以上工作第一作者分別為王猛教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生殷俊杰同學(xué)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(xué)物理學(xué)院姚道新教授及團(tuán)隊(duì)成員、沈冰副教授、侯玉升副教授、王偉良副教授、張?jiān)莆蹈苯淌?，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院李滿(mǎn)榮教授及團(tuán)隊(duì)成員，中國(guó)人民大學(xué)程鵬副教授、張紅霞副教授，中國(guó)原子能研究院郝麗杰研究員，美國(guó)萊斯大學(xué)戴鵬程教授等。王猛教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展以上工作得到中山大學(xué)百人計(jì)劃二期項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.4.013405
