羅惠霞教授團隊在尖晶石結構超導材料方面取得的研究進展

       尖晶石結構化合物憑借諸如龐磁阻、巨克爾旋轉、磁緻伸縮等異常豐富的物理性質吸引了科學家們的研究興趣。盡管目前已發現了上千種具有尖晶石結構的化合物，但其中僅有CuRh2Se4、CuRh2S4、CuV2S4、Li1+xTi2-xO4、CuCo2S4五種母體材料，Cu1-xZnxIr2S4、Cu(Ir1-xPtx)2Se4電子摻雜材料及MgTi2O4薄膜材料表現出超導電性。CuIr2S4化合物在230 K附近出現的金屬-絕緣體轉變并伴随着複雜的結構轉變、電荷有序态的出現以及金屬-金屬配對。這一金屬絕緣體轉變(MIT)現象在Cu1-xZnxIr2S4可以被Zn摻雜取代Cu原子抑制并同時引起其超導轉變溫度的提升，在x = 0.3時超導轉變溫度達到最大的3.4 K。與CuIr2S4化合物具有相似晶體結構的CuRh2Se4沒有出現MIT現象，是最早被發現存在超導電性(Tc » 3.5K)的尖晶石硫硒化合物之一。而且，人們發現CuRh2Se4系統的超導轉變溫度可以在6.5GPa的壓力下被提升至4.9 K。在更高壓強下電阻率曲線中出現了寬峰，此寬峰可能是由于超導體-絕緣體轉變導緻。這意味着盡管CuRh2Se4中沒有電荷順序或金屬-金屬配對，但由于外部幹擾CuRh2Se4可能接近某種不穩定性。因此，利用化學摻雜CuRh2Se4母體，我們可能誘導調制出新的物性或提高其超導電性。

        近期，羅惠霞課題組選用鉑元素摻雜進入母體CuRh2Se4中，成功獲得Cu(Rh1-xPtx)2Se4摻雜體系。進一步通過電導率、磁化率測量手段，證實Cu(Rh1-xPtx)2Se4系統的超導轉變溫度首先随着鉑元素摻雜量的提升先增後降，形成穹頂狀的電子摻雜相圖(如圖1所示)。同時，本課題組還對Cu(Rh1-xPtx)2Se4系統的臨界磁場進行了系統的研究。研究發現在摻雜前後體系的下臨界磁場沒有太大變化，但少量Pt的電子摻雜可以數倍提升其上臨界磁場，如由母體的0.6 T(x = 0, CuRh2Se4)提升到4.95 T(x = 0.06, Cu(Rh0.94Pt0.06)2Se4)，大大提升了其實用價值(如圖2所示)。

        此外，我們與杭州師範大學曹超教授團隊合作基于第一性原理，使用密度泛函理論計算得出未摻雜CuRh₂Se₄、CuPt₂Se₄的電子能帶結構後，基于虛晶近似理論得出Cu(Rh_1-xPt_x)₂Se₄系統态密度與費米能級随摻雜量變化圖像。理論計算表明鉑元素替代铑元素導緻CuRh₂Se₄的态密度峰發生紅移，并在摻雜量x = 0.1時費米能級态密度達到最大值(如圖3所示)，這與實驗觀測得到的電子摻雜相圖大緻吻合。這不僅為理解尖晶石超導電性随電子摻雜的變化提供了理論依據，也對進一步探索新型尖晶石超導材料或尖晶石超導電性的提高提供了指導，同時為研究相關結構超導電性的機制提供材料平台。

       相關研究成果以“Superconductivity with the enhanced upper critical field in the Pt-Doping CuRh₂Se₄ spinel”為題，太阳集团app首页材料科學與工程學院為第一單位，20級碩士生何溢懿與杭州師範大學的由易鑫為共同第一作者，羅惠霞教授為唯一通訊作者發表在凝聚态物理領域專業期刊《Physical Review B》上。該研究受到國家自然科學基金優秀青年基金、廣東省自然面上基金、中央高校青年重點培育等項目的大力支持。