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中國科學院物理研究所 EX5組供稿 第78期 2019年12月02日
北京凝聚態物理國家研究中心
袖裏藏乾坤:高壓合成准1維新材料及維度調控的量子演生現象

  对于一维导电体系,电子的运动受维度限制只能沿前后两个方向运动,因此一维体系的所有电子相互关联,表现为集体运动的形式,不再有费米液体理论所描述的准粒子存在,只能由Luttinger液体理论来描述。由于一维体系电子的集体运动,Umklapp scattering(倒逆散射)效应对一维导电体系的电学行为具有非常重要的影响,引发金属绝缘体相变。在压力调控的维度演化过程中,伴随多种相互作用的此消彼长,可产生丰富的量子演生现象。目前对准1维导电材料的研究主要集中在(TMTTF)2X和(TMTSF)2X(X=TaF6,AsF6,PF6,ClO4,ReO4)等有機材料,這些有機材料結構複雜,缺乏對維度過渡物理現象的深入研究。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青研究组的望贤成副研究員带领博士生张俊,运用高压高温技术制备了准一维新材料Ba3TiTe5。他們的研究結果表明:(I)Ba3TiTe5的电子能带结构具有典型的一维导电特征,实验发现该材料由于倒逆散射,发生了金属~绝缘体相变,呈现半导体行为。(II)压力增大导电链之间电子跃迁几率,倒逆散射导致的金属~绝缘体相变被完全抑制,体系从Luttinger液体向三维金属过渡,同时伴随超导现象;离开Luttinger液体区域,超导转变温度Tc开始下降,表明超导现象与Luttinger液体失稳相关。(III) 进一步增大压力,Ba3TiTe5材料體系進入三維金屬區域,部分費米面嵌套,導致體系發生自旋密度波轉變;伴隨壓力抑制自旋密度波,超導轉變溫度Tc開始上升,並在自旋密度波轉變被完全抑制的壓力點達到最高Tc,此時體系由于量子臨界漲落表現爲非費米液體行爲;繼續增大壓力,體系遠離該量子臨界點,並逐漸向傳統的費米液體行爲過渡,同時超導Tc緩慢下降。綜上,通過壓力連續作用,Ba3TiTe5材料呈現了維度調控的豐富的量子演生現象。這種維度連續過渡很難通過化學或其它外場方法實現,壓力凸顯了與衆不同的維度調控優勢,爲系統揭示維度演化誘發的材料新性能提供了機遇。以上工作包括实验和理论,涉及高压极端条件样品合成、高压低温强场物性调控、以及电子结构计算,得到胡江平研究員、北京高压研究中心/南方科技大学朱金龙教授、南京理工大学李志教授的密切合作。

  上述研究工作近期发表在Springer Nature出版社NPG Asia Materials 11, 60 (2019) 上,入選編輯推薦文章,研究得到國家重點研發計劃和基金委項目資助。

文章引用信息:
J. Zhang, Y. Jia, X. Wang, Z. Li, L. Duan, W. Li, J. Zhao, L. Cao, G. Dai, Z. Deng, S. Zhang, S. Feng, R. Yu, Q. Liu, J. Hu, J. Zhu, C. Jin, "A New Quasi One-Dimensional Compound Ba3TiTe5 and Superconductivity Induced by Pressure", NPG Asia Materials 11, 60 (2019).
文章全文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41427-019-0158-2

圖1:Ba3TiTe5的晶體結構(a)、常壓能帶結構(b)及費米面(c)。其晶體結構中含有沿c方向的共面八面體TiTe6鏈,TiTe6鏈位于ab面內三角格點上,在三角格子的中心有一個Te原子鏈。TiTe6鏈和Te原子鏈由Ba2+離子隔開,形成一維導體。
圖2:壓力調控准一維材料Ba3TiTe5的磁电特性演化。(a) 在0-18.9 GPa压力范围的电阻随压力变化:在较低压力由于倒逆散射效应材料呈现半导体行为;在6.7-8.8 GPa压力区间,低温电阻数据间突然下降5个数量级,表明倒逆散射效应对电子输运行为的影响被抑制,一维金属开始向三维金属过渡;同时在8.8 GPa压力点观察到超导迹象。(b) 在20.2-58.5 GPa压力范围的电阻随压力变化:除了超导现象之外,在低温还发生了金属~半导体转变,对应于SDW/CDW的产生;同时在36.7 GPa压力附近观察到低温线性电阻行为,对应于SDW/CDW被抑制后的量子临界点。(c) 在17.3 GPa压力,超导转变随磁场向的演化,由此可以估算临界场。
圖3:准一維材料Ba3TiTe5壓力調控的維度次第變化誘發的量子演生相圖。
下載附件>> NPG Asia Materials 11, 60 (2019).pdf
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