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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
袖里藏乾坤:高壓合成準1維新材料及維度調控的量子演生現象

  對于一維導電體系,電子的運動受維度限制只能沿前后兩個方向運動,因此一維體系的所有電子相互關聯,表現為集體運動的形式,不再有費米液體理論所描述的準粒子存在,只能由Luttinger液體理論來描述。由于一維體系電子的集體運動,Umklapp scattering(倒逆散射)效應對一維導電體系的電學行為具有非常重要的影響,引發金屬絕緣體相變。在壓力調控的維度演化過程中,伴隨多種相互作用的此消彼長,可產生豐富的量子演生現象。目前對準1維導電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,這些有機材料結構復雜,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極端條件物理重點實驗室靳常青研究組的望賢成副研究員帶領博士生張俊,運用高壓高溫技術制備了準一維新材料Ba3TiTe5。他們的研究結果表明:(I)Ba3TiTe5的電子能帶結構具有典型的一維導電特征,實驗發現該材料由于倒逆散射,發生了金屬~絕緣體相變,呈現半導體行為。(II)壓力增大導電鏈之間電子躍遷幾率,倒逆散射導致的金屬~絕緣體相變被完全抑制,體系從Luttinger液體向三維金屬過渡,同時伴隨超導現象;離開Luttinger液體區域,超導轉變溫度Tc開始下降,表明超導現象與Luttinger液體失穩相關。(III) 進一步增大壓力,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,并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為非費米液體行為;繼續增大壓力,體系遠離該量子臨界點,并逐漸向傳統的費米液體行為過渡,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,壓力凸顯了與眾不同的維度調控優勢,為系統揭示維度演化誘發的材料新性能提供了機遇。以上工作包括實驗和理論,涉及高壓極端條件樣品合成、高壓低溫強場物性調控、以及電子結構計算,得到胡江平研究員、北京高壓研究中心/南方科技大學朱金龍教授、南京理工大學李志教授的密切合作。

  上述研究工作近期發表在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:壓力調控準一維材料Ba3TiTe5的磁電特性演化。(a) 在0-18.9 GPa壓力范圍的電阻隨壓力變化:在較低壓力由于倒逆散射效應材料呈現半導體行為;在6.7-8.8 GPa壓力區間,低溫電阻數據間突然下降5個數量級,表明倒逆散射效應對電子輸運行為的影響被抑制,一維金屬開始向三維金屬過渡;同時在8.8 GPa壓力點觀察到超導跡象。(b) 在20.2-58.5 GPa壓力范圍的電阻隨壓力變化:除了超導現象之外,在低溫還發生了金屬~半導體轉變,對應于SDW/CDW的產生;同時在36.7 GPa壓力附近觀察到低溫線性電阻行為,對應于SDW/CDW被抑制后的量子臨界點。(c) 在17.3 GPa壓力,超導轉變隨磁場向的演化,由此可以估算臨界場。
圖3:準一維材料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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