CrAs是具有螺旋反鐵磁序的關聯金屬。常壓下，CrAs具有“MnP”型正交晶體結構，隨著溫度降低，在TN ≈ 265 K會發生一級的順磁-反鐵磁相變，形成雙螺旋反鐵磁結構，即Cr離子自旋(~1.7μB)躺在ab平面內旋轉，螺旋傳播方向沿著c軸。實驗還發現，螺旋反鐵磁相變還同時伴隨著等結構轉變，即空間群保持不變，但晶格參數出現跳變，特別是b軸在TN處突然變化~4%，同時電阻率和磁化率在TN處也表現出跳變。2014年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理實驗室的雒建林研究組和程金光研究組聯合日本東京大學教授Yoshiya Uwatoko等合作者，通過對CrAs單晶開展高壓下的電阻率和交流磁化率測量，發現高壓會逐步抑制一級反鐵磁相變，并首次在反鐵磁序消失的臨界壓力Pc≈7kbar附近觀察到體超導電性，實現了Cr基化合物超導體零的突破（Nat. Comm., 2014, 5, 5508）。接著，他們又利用高壓抑制了MnP中的長程磁有序并觀察到超導電性，實現了首個Mn基化合物超導體（Phys. Rev. Lett. 2015, 114, 117001）。這些發現吸引了國內外同行的較大關注，他們應邀撰寫了關于CrAs和MnP壓致超導的綜述（J. Phys.: Cond. Matter. 2017, 29, 383003）。由于在CrAs的溫度-壓力相圖中，超導相毗鄰螺旋反鐵磁有序相，跟鐵基和重費米子等非常規超導體的相圖非常類似，意味著反鐵磁臨界漲落可能是超導電子配對的重要媒介。然而，由于CrAs的螺旋反鐵磁序同時伴隨著強烈的一級等結構相變，之前的研究并沒有給出螺旋反鐵磁序和結構相變隨壓力演化的直接證據，而且在超導出現的臨界壓力附近是否存在強的反鐵磁臨界漲落缺乏實驗依據。
為了深入解釋CrAs中的超導電性與螺旋反鐵磁序之間的關聯，程金光研究組和雒建林研究組聯合美國橡樹嶺國家實驗室、日本東京大學、中國人民大學、美國萊斯大學等多個研究機構的合作者，采用物理壓力和化學壓力相互補充的研究思路，測量了CrAs單晶高壓下的中子衍射、CrAs1-xPx樣品的非彈性中子散射，詳細分析了CrAs單晶高壓下的電阻率和磁化率數據以及CrAs1-xPx單晶的電阻率和比熱數據，全面獲得了結構相變和螺旋反鐵磁序隨壓力演化的規律以及自旋漲落的動力學信息，并提供了反鐵磁量子臨界漲落對正常態電輸運性質影響的重要實驗證據，最后結合理論分析，指出盡管結構相變仍為一級相變，但螺旋反鐵磁相變在壓力下消失時接近連續的二級相變。對CrAs的這些研究結果進一步體現了“bad metal”中量子臨界性的典型特征，為理解CrAs甚至鐵基超導體系中的非常規超導機制提供了新的思路。相關成果近日發表在Phys. Rev. X 8, 031017 (2018)。
圖1對比顯示了物理壓力和化學壓力對CrAs結構相變的影響，其中的晶格參數b和c是采用彈性中子衍射測量的。對于CrAs單晶，隨著壓力增加，結構相變溫度逐漸向低溫移動，但保持強烈的一級相變特征，在~9 kbar以上時完全消失；對于CrAs1-xPx單晶，由于P的離子半徑小于As，相當于對CrAs施加了化學壓力，結構相變溫度也隨著P摻雜量增加而逐漸降低，在xc ~5%摻雜時完全消失。圖2給出了CrAs1-xPx單晶螺旋反鐵磁序隨溫度和壓力的演化規律，同樣可以看到~ 9 kbar壓力可以抑制螺旋反鐵磁序，而5%-P摻雜的樣品已無磁有序。上述結果表明，物理壓力和化學壓力在抑制CrAs的結構相變和螺旋反鐵磁序起到非常類似的效果。因此，可以預期CrAs在稍大于臨界壓力Pc的結構和磁性應該與CrAs1-xPx在xc附近的性質是類似的。這使得研究人員可以通過在常壓下測量CrAs1-xPx在xc附近的非彈性中子散射間接獲得CrAs在Pc附近的自旋動力學信息，這對于理解自旋漲落與超導的聯系至關重要。在此基礎上，研究人員測量了CrAs1-xPx（x = 0, 0.06）樣品的非彈性中子散射，如圖3所示。對于CrAs單晶，TN以下出現很強的磁激發譜，分別對應不同的磁性Bragg峰；而對于沒有長程磁有序的CrAs0.94P0.06樣品，只在Q ~ 1.0 -1出現非常寬的磁激發譜，其對應次近鄰Cr離子間的反鐵磁關聯，這也是CrAs中最強的自旋交換作用Jc2，這意味著與Jc2相關的短程反鐵磁自旋關聯可能與CrAs中的超導有關。圖4給出了CrAs單晶在高壓下的直流磁化率數據，從中可以看出，隨壓力升高磁有序溫度逐漸降低，相變特征從突然跳變逐漸轉變為連續的拐點，而且在6 kbar以上表現出居里-外斯型溫度依賴關系，進一步表明在長程磁有序接近消失時存在強烈的自旋漲落，與非彈性中子散射的結果一致。基于以上彈性和非彈性中子散射以及高壓下的直流磁化率測量，研究人員不僅獲得了結構相變和螺旋反鐵磁序隨壓力演化的直接證據，而且在磁有序消失的臨界壓力和組分附近還觀察到短程反鐵磁關聯，表明螺旋反鐵磁的量子臨界漲落可能與超導電性存在密切聯系。為了獲得量子臨界性的進一步實驗證據，研究人員詳細測量并分析了CrAs單晶高壓下的電阻率，如圖5所示，在臨界壓力附近觀察到非費米液體行為(即ρ ~ T1.5)和電子有效質量的顯著提高，這兩點是量子臨界點的標志性特征。同樣的，對于化學摻雜的CrAs1-xPx系列樣品，研究人員也觀察到類似的現象，更重要是的，研究人員通過低溫比熱的測量提供了電子有效質量在xc附近增強的直接證據，如圖6所示。為了理解CrAs中螺旋反鐵磁序和結構相變耦合在一起的量子臨界性，中國人民大學的俞榕和美國萊斯大學教授斯其苗對CrAs進行了理論分析，如圖7所示，他們的結果指出，雖然結構相變保持強烈一級相變，但是螺旋反鐵磁相變在接近消失時應該為連續二級相變，從而使得量子臨界相變成為可能。
上述研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、中科院B類先導專項和前沿重點項目的支持。
論文信息：M. Matsuda, F. K. Lin, R. Yu, J.-G. Cheng*, W. Wu, J. P. Sun, J. H. Zhang, P. J. Sun, K. Matsubayashi, T. Miyake, T. Kato, J.-Q. Yan, M. B. Stone, Qimiao Si, J. L. Luo, and Y. Uwatoko； Evolution of magnetic double helix and quantum criticality near a dome of superconductivity in CrAs； Phys. Rev. X (2018) 8, 031017.