迈向 QCP 拉升超导之新路

Original Ising 量子材料QuantumMaterials 2023-03-20

作为量子材料领域当下最大的家族，超导电性研究一向是重中之重。当超导物理人醉心于梳理各种库珀对配对机制和它们的凝聚物理根源时，他们内心深处最柔软的一块，依然还是留给超导转变温度 T_c的。无论是运气好、还是理性高、抑或是融会贯通，只要能提高 T_c，那就是超导研究的王者。其中，特别是非常规超导，任何时候，只要发现了一个新体系或异常，总是各路神仙聚而论之的境况。而最拥挤的 exit，依然是 T_c。

大家拥挤于出口处，可能是应用期许所驱动的结果，也可能是物理人天生就追求更高更快更强的品性所致。其实，更不言自明的潜台词是：我们强调基础研究的重要性，但物质科学的发展，终究是要为社会物质生活的丰富和方便提供可用的材料与技术。如此景况，在过去几十年不断上演，显示了 T_c一览众山小的不二地位。

当然，科学研究的意义，常常是尝试或者撞运气。但尝试和撞运气，也要理性地去进行，而不是完全天女散花一般。非常规超导电性的研究，几十年来携带有冒险探索的元素，也充盈了理性的梳理与思考，给我们积累了一些重要的、定性的、只可意会难以言传的规则和经验。其中最知名的经验之一，便是超导电性与量子相变的不期而遇：那些超导电性可能出现在其它关联量子相的量子临界点处 (quantum critical point, QCP)；或者那些超导温度最高点，可能出现在其它关联量子相的量子临界点 QCP 处，如图 1 所示。

图 1. 非常规超导的相图和 QCP 中蕴含的物理。

http://image1.slideserve.com/3532658/slide6-n.jpg

这样的所谓关联量子相，似乎要满足一些基本的条件。例如，它可以是：(1) 反铁磁相；(2) 赝能隙相；(3) 电荷密度波 CDW 相；(4) 费米液体相；(5) 关联到声子谱显著变化的晶体结构相变；等等。Ising 毕竟是外行，不能穷举，也可能列举错了。大概意义上，只要这个相与电子库珀对配对背后的微观机制有联系，这个相的 QCP 处就可能有超导电性出现。

还真的不说这些似是而非、模棱两可的联系，去看非常规超导电性的相图，很多情况下都是如此这般，虽然也可以找到反例。例如，电荷密度波 CDW 相就与电 - 声子耦合有密切关系：电声子耦合强，有利于 CDW 的出现，当然也有利于库珀对的形成甚至凝聚 (即超导)。因此，一个化合物，相图中如果有 CDW 相，则可以通过调控各种内禀或外部参量去抑制 CDW 相。这种调控的后果并不那么容易预测，但如果在完全抑制之处有一个 QCP，那里就可能出现超导。

这种高级的经验主义规则，未必可以将每一个规则背后的物理说清楚，但还真是屡试不爽！也因此，物理人变得对量子材料相图中的 QCP 极为敏感。这种敏感，已经拓展到所有量子演生效应，不局限于超导电性独美。即便是超导电性，特别是非常规超导电性，哪怕最终也只是得到很低的超导转变 T_c，只要有 QCP 相关的物理进来，物理人就有冲动和机会重蹈这一经验规则。

Ising 猜测，西湖大学物理系任之教授的梦想也不例外。他领导的课题组，联合浙江大学物理系曹光旱教授及复旦大学的合作者们一起，最近在《npj QM》上发表了一篇文章，对最近才受关注的锕系钍锗化合物如 β-ThRhGe 的超导电性进行了细致研究。Ising 将他们的大作翻来覆去，感觉他们遵循的就是这样的物理思路^_^。

最近的实验工作揭示了 β-ThRhGe 这一化合物有超导电性，但转变温度较低，大概在 T_c ~ 3 K 左右。这个化合物在244 K 以下存在一个不完全的 (incomplete) 结构相变，从 244 K 以上的正交相经过一级相变转变为低温下的 (正交相 + 单斜相) 共存的晶体结构。这种结构共存的体系竟然可以超导，意味着通过压制结构相变而提高超导转变温度的可能性不低。这里需要指出，前人实际上已经知道，与 β-ThRhGe 的正交相同型的化合物有较高的超导转变温度。也就是说，如果能够通过某种手段，压制 244 K 处的结构相变，使得其能够一直保持正交相，则这一体系的超导转变温度就可以得到提高。这种压制实际上就是一个迈向 QCP 的进程，对应的位置就可能是超导温度最高的量子态。

图 2. 西湖大学任之教授他们得到的 β-ThRh_1-xIr_xGe 超导相图。

很多超导人可能会觉得奇怪：这样迈向 QCP 的尝试，在过往研究中已有很多了。如此，任之老师他们的这一工作，新意在哪里呢？这一点，Ising 不敢越俎代庖。不过，我们注意到，β-ThRhGe 是一个非磁性体系，它不像铜基或者铁基高温超导那般都是与反铁磁和量子自旋液体等关联的物理，其中磁涨落被赋予重要的物理地位。这里，没有磁性，只是一种基于晶格结构的 QCP 尝试。他们利用同价的 Ir 替代 Rh，非常直接的、走向 QCP 的调控手段，而 Ir 这个 5d 元素也不具有很强的磁性。

个中道理，如上所言，纯粹是 Ising 放马后炮。虽然马后炮看起来比较简单，但任之老师他们可是费了巨大努力去实现这一物理图像，并取得了进展。他们的确真的在 QCP 处将超导转变温度 T_c从 3 K 提升到 8 K。这一差别的绝对值，也许远不算光鲜亮眼，也就是区区 5 K 而已。但，如果去看相对效果，依然显著，算得上是一个彰显 QCP 与超导转变关系的新例证，如图 2 所示。

好吧，特别注意到，这是一个新的、非磁性的、非常规的超导体系。更重要的是，这是个 structural QCP，是不是一下子就有了足够的新意？！按照任之他们的说法，此乃“interplay between superconductivity and structural quantum criticality”，是超导与 QCP 之间一座新的桥梁。Ising 以为，这大概是《npj QM》那些“严苛”而“nice”的审稿人放行此文的原因 (之一)。阿门！