新的锰基超导材料 | 前沿快讯No.9

编者按

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

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压力诱导准一维三元锰基材料中的超导电性

超导体是一种具有零电阻和完全抗磁性的导体，其无耗散的电流传输可以极大地减少电路输运过程中的损耗，为地球日益短缺的资源提供了新的出口，几乎无摩擦阻力超导磁悬浮列车也能极大的节省人类出行时间，改变人类的生活方式。实现非常规的高温超导体乃至室温超导体至关重要，研究人员发现，非常规超导体一般来源于反铁磁材料的母相，比如铜基超导、铁基超导和重费米子超导体。通过掺杂或者加压，在反铁磁量子临界点附近很容易诱导出超导。

中科院物理所程金光研究员前期通过压力调控，在二元锰基材料MnP中首次发现超导特性，通过对MnP中螺旋反铁磁性的压制，成功诱导出超导转变温度约为1K的超导。浙江大学曹光旱教授近期发现新的准一维三元锰基材料KMn6Bi5，并观测到75K的反铁磁转变；随后中科院物理所王刚研究员通过元素替换生长出新的准一维三元锰基材料RbMn6Bi5，观测到82K的反铁磁转变，并通过第一性原理计算预测其中存在新奇的螺旋反铁磁结构。

基于此，中科院物理所程金光团队于近期对KMn6Bi5开展了高压实验研究，通过测量电阻率和交流磁化率在静水压力14.2GPa下，完全抑制了反铁磁转变，同时表现出超导特性，超导转变温度最大可达9.3K。在KMn6Bi5的温度-压力相图中，超导性与磁不稳定性非常接近，同时发现超过泡利极限高达18.9T的上临界磁场，表明其很可能是一种非常规超导体。与二元MnP相比，三元AMn6Bi5(A为碱金属)体系的晶体结构和化学组成较为灵活，为寻找更多的非常规Mn基超导体开辟了新的途径。

上述相关研究成果分别发表在《美国化学学会杂志》J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12；《无机化学》Inorg. Chem. 2021, 60, 17, 12941–12949; 非盈利的数据库 arXiv:2201.06053上。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b00465；

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.inorgchem.1c01318;

https://arxiv.org/abs/2201.06053;

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早期地球水库：超高压氢硅酸镁

地球上水的起源是一个长期以来的谜团，对于理解生命的出现以及地球内部随时间动态演化的过程至关重要。目前，对这个问题有两种相互矛盾的观点：第一种观点是水是原始的，地球在吸积过程中获得了大部分的水；第二种观点中水来自于富含水的气动沸石。第一个假设本质上意味着水是从地球内部释放出来的，第二种则更倾向于水来自于外太空。

最近，越来越多的研究证据开始支持第一个假设。氘/氢比值，作为水起源的关键因素，提供了一个有说服力的论点：研究者发现地球深处地幔的氘/氢比值较低，与年轻地球的基本组成部分顽辉石类球粒陨石相当接近，表明地球内部的水可能直接来自原太阳系星云。与铁和硅酸盐等其他行星物质相比，水的凝结温度要低得多，因此会在新生地球的高表面温度下被释放到太空。为了避免水分的完全损失，水分必须在地球的新生的吸积期就保存在其内部，含水矿物比如水合硅酸盐就是这种储层的主要候选者。因此全面寻找在地球深处的条件下稳定并由地球上丰富的元素组成的水合化合物至关重要。以往的研究通常集中在地幔当前的压力-温度条件范围，从而忽略了过去可能存在的复杂条件，比如核-地幔分离的阶段。

本文作者南开大学Han-Fei Li利用从头演化结构预测，发现两个在兆压力下是稳定的氢硅酸镁相，α-Mg2SiO5H2 和 β-Mg2SiO5H2，分别在262-338 Gpa和大于338Gpa下稳定。两者都是在相关条件下具有准一维质子扩散的超离子导体。在地球历史的前3000万年里，地核形成之前，这两种物质已经存在与地球上并富含地球上的大部分水份。当致密的铁合金被分离出来形成地核时，Mg2SiO5H2分解并释放水。因此，现在已经消失的氢硅酸镁相很可能对地球的进化做出了重要贡献。

相关研究成果以Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 035703 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

3

潜在量子自旋液体材料中的磁性分数激发

自安德森首次在共振价键模型中提出量子自旋液体并用它来解释高温下的超导性以来，具有分数自旋激发和长程纠缠的量子自旋液体引起了人们的广泛关注。通常，量子自旋液体可以在三角形格子和笼目状格子中存在，其中反铁磁相互作用由于几何约束而具有高度阻挫，从而在这些系统中存在强烈的量子涨落，阻止了常规磁性材料在低温下观测到的自旋长程序的形成。除了建立在几何阻挫之上的共振价键模型，定义在理想的二维蜂窝状晶格上具有1/2自旋的Kitaev模型也是一个具有量子自旋液体基态的精确可解模型。在蜂窝晶格上没有几何阻挫，是依赖于各向异性成键的Kitaev相互作用导致了单个位置上的阻挫并导致Kitaev量子自旋液体。Kitaev量子自旋液体可以具有分数激发，比如马约拉纳费米子在磁场下表现为服从非交换统计量的任意子并允许编织成为容错拓扑量子计算机。

本文作者上海理工大学冉柯静和王靖珲首次对𝛼-RuCl3单晶进行了极化非弹性中子散射研究，探索了布里渊区中心𝛤点周围的散射。通过极化分析，发现𝑀点周围的自旋波激发在转变温度以上消失，而𝛤点周围的纯磁连续激发不受温度影响。此外，利用团簇微扰理论计算动力学自旋-自旋关联函数，推导出基于𝐾-𝛤模型的磁色散谱，具有-7.2meV的铁磁Kitaev相互作用和5.6meV的非对角相互作用。作者发现这个模型不仅可以重现𝑀点附近的自旋波激发谱，还可以重现在𝛤点附近的非自旋波连续磁激发。这些结果为来自Kitaev量子自旋液体的𝛤点周围的分数激发的存在提供了证据，进一步支持了𝐾-𝛤模型作为有效的最小自旋模型的有效性。

相关研究成果以Evidence for Magnetic Fractional Excitations in a Kitaev Quantum-Spin-Liquid Candidate 𝛼-RuCl3为题，发表在《中国物理快报》 Chinese Physics Letters 39, 027501 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/EN/abstract/abstract116057.shtml

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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