低维过渡金属反铁磁体的空穴掺杂和K2Cr3As3超导体的发现

摘要

超导电性是凝聚态物理的重要领域，而探索新超导材料又是超导研究的一个重要方向。Onnes发现超导电性之后，BCS理论在解释基于电声子耦合的常规超导体上获得了成功。但是，每一类非常规超导体的发现，如重费米子、铜氧化物和铁基等非常规超导体，都对该体系的超导理论提出了重大的挑战。在常规超导体中，磁性会破坏超导Cooper对而不利于超导，而在非常规超导体中，超导Cooper对可能跟磁性密切相关。尽管不同的非常规超导体的超导机理可能不尽相同，但是它们都有个相似的相图:利用某种手段将体系的磁性压制之后超导才出现。本论文借鉴非常规超导体相似的相图，设想通过化学掺杂压制化合物的反铁磁序来探索超导电性。
　　本论文结合当前的研究背景，尝试对三个反铁磁体BaFe2Se3，BaMn2As2和BaCr2As2的钾掺杂效应进行研究，所取得的创新成果如下:
　　(1) BaFe2Se3是一个反铁磁绝缘体，而所有钾掺杂的样品都呈现出绝缘体性质。我们对其中一个钾掺杂量的样品Ba0.6K0.4Fe2Se3进行了细致的物理性质表征，包括各向异性电阻和磁化率以及比热。Ba0.6K0.4Fe2Se3的电阻率具有弱的各向异性，低温下呈现可变程跳跃电导。我们发现Ba0.6K0.4Fe2Se3是一个具有各向异性的Heisenberg型自旋玻璃体。
　　(2) BaMn2As2掺钾之后，体系从绝缘体变为金属。目前的钾掺杂量不能完全压制母体的G型反铁磁，暂时还没有在该体系实现超导电性。我们对组分为x=0.19和x=0.26的Ba1-xKxMn2As2做了电阻和各向异性磁化率的测量，首次发现了30-50 K左右的弱铁磁转变。体系弱铁磁的易磁化轴沿着ab面，而G型反铁磁的磁矩沿着c方向。我们发现x=0.19和x=0.26样品ab面的磁化率符合奇异的居里外斯行为，其中有效磁矩相当于自旋为1/2的顺磁体。我们对母体和x=0.25的样品进行了第一性原理计算，表明钾掺杂之后As的4p空穴占金属导电的主要部分。我们对该体系中出现弱铁磁性进行了两种可能性的讨论:一种是载流子的自旋发生极化而出现弱铁磁，另一种是G型反铁磁的磁矩沿着ab面发生倾斜而出现铁磁分量。
　　(3) BaCr2As2的钾掺杂样品的合成并不成功，但是我们发现了两个新的准一维化合物K2Cr3As3和KCr3As3。它们由(Cr3As3)∞一维链和钾离子填充而成。
　　我们首次发现铬基砷化物K2Cr3As3在常压下具有6.1K超导电性，是一个极端的Ⅱ类超导体。多晶样品正常态电阻和温度呈现线性依赖关系，暗示非费米液体行为。K2Cr3As3具有较高的上临界场，是Pauli顺磁极限(Hp=11 T)的3-4倍，暗示自旋三重态配对的可能性。它具有较大的正常态电子比热(γ=70-75 mJ K-2)和比热跳变（△C/γT=2.2-2.4），表明体系处于较强的电子关联和强耦合的情况。上述结果强烈指向K2Cr3As3具有非常规超导电性。
　　在K2Cr3As3基础上，利用酒精退去其中的一个钾，我们合成了新的化合物KCr3As3。电阻、磁化率和比热测量表明KCr3As3并不超导。KCr3As3电阻低温下呈现半导体行为，但是电阻变化不大。KCr3As3磁化率高温下呈现出居里外斯行为，铬的有效磁矩为0.68μB/Cr。直流和交流磁化率证实KCr3As3低温下呈现集团自旋玻璃态。尽管KCr3As3并不超导，但是对于它的研究同样有助于理解K2Cr3As3的超导电性。
　　此外，在论文的最后一章提到了后续工作的展望。

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致谢

摘要

插图

表格

1 绪论

1．1 磁有序

1．2 超导电性简介

1．3 非常规超导体相图

1．4 掺杂母体材料文献综述

1．5 本论文的组织结构及创新点

2 样品制备和物性表征手段

2．1 晶体生长方法

2．2 样品物性表征手段

3 自旋梯子化合物Ba0．6K0．4Fe2Se3的可变程跳跃电导和自旋玻璃行为

3．1 实验方法简介

3．2 结果和讨论

3．3 本章小结

4 高钾掺杂量Ba1-xKxMn2As2的弱铁磁金属态

4．1 实验方法简介

4．2 结果与讨论

4．3 本章小结

5 KxCr3As3(x=1，2)系列化合物的超导电性和磁性

5．1 实验方法简介

5．2 准一维晶体结构化合物K2Cr3As3的超导电性

5．3 准一维晶体结构化合物KCr3As3的集团自旋玻璃态

5．4 结论

5．5 本章小结

6 总结

附录

参考文献

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