超導體具有零電阻效應、邁斯納效應和約瑟夫森效應等物理特性，這使其在大電流、強磁場、微弱信號檢測等諸多基礎領域具有廣闊的應用前途和無與倫比的優(yōu)勢。對新超導材料的探索和高溫超導機理的研究是當前凝聚態(tài)物理中的重要研究方向。自從銅氧化物和鐵基高溫超導發(fā)現(xiàn)以來，人們尋找新型高溫超導材料的目光更多的轉向了過渡元素化合物。對于3d元素Cr，長期以來僅在幾種二元合金中發(fā)現(xiàn)超導。一直到2014年，研究者們相繼在Cr2Re3B(Tc ~ 4.8 K)、CrAs(高壓下Tc ~ 2 K)和K2Cr3As3(以及Rb2Cr3As3和Cs2Cr3As3，Tc 分別為6.1 K、4.8 K、2.2 K)中發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。其中K2Cr3As3體系由于具有準一維的晶格結構和可能的自旋三重態(tài)超導配對而引人關注。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導實驗室SC10組長期堅持新型超導材料的探索研究，至今已發(fā)現(xiàn)二十多種新超導體。最近，該研究組的博士研究生穆青隔、劉通等人在研究員任治安的指導下，對Cr系的準一維化合物進行了系統(tǒng)研究。他們通過233型單晶脫K的方式制備了133型的KCr3As3單晶，同時觀察到較弱的超導信號。然后通過進一步的優(yōu)化制備條件和低溫退火處理，得到了超導體積分數(shù)接近100%的KCr3As3超導單晶，其超導Tc為5 K。很快，他們又發(fā)現(xiàn)了同為133結構的RbCr3As3超導體，令人驚奇的是，該化合物的Tc上升至7.3 K，超過了以前發(fā)現(xiàn)的所有Cr系超導體。由于Rb離子比K離子半徑更大，該體系表現(xiàn)出的負化學壓力效應與233系列超導體完全相反。另一方面，該133型超導體的晶體結構為中心對稱，空間群為P63/m (No. 176)，與非中心對稱的233型結構不同。相比于空氣中極不穩(wěn)定的233型超導體，該133型新超導體在空氣中非常穩(wěn)定，甚至在水中浸泡多天后其超導也無退化，非常適合進一步的實驗測量與物理研究。該133系列超導體的發(fā)現(xiàn)為準一維超導電性的研究提供了新的平臺，相關研究成果已發(fā)表在Phys. Rev. B 96，140504(2017) 和 EPL 120，27006 (2017) (EDITOR'S CHOICE)上。

　　為了進一步提高Cr系超導體的Tc，考慮到233結構的正化學壓力效應，該團隊又通過離子交換方法，用更小的Na離子替代K離子，成功制備了Na2Cr3As3單晶。Na2Cr3As3的晶體結構屬于P-6m2 (No. 187) 空間群，相比于K2Cr3As3，晶格沿a軸方向有明顯收縮，約7.6%，沿c軸向僅收縮了約0.5%，表明離子半徑較小的Na+取代K+明顯增強了(Cr3As3)2-的鏈間耦合作用。電阻、磁化率以及比熱的測量表明Na2Cr3As3單晶的超導Tc為8.6 K，這是目前Cr基材料中最高超導溫度。該工作已發(fā)表在Physical Review Materials 2, 034803 (2018) 上。

　　以上相關研究工作得到了國家自然科學基金委員會、科技部“973”項目和中科院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員基金的支持。

　　圖1. K2Cr3As3和 KCr3As3的晶體結構對比

　　圖2. KCr3As3單晶退火前后的電阻溫度曲線所示超導轉變及與K2Cr3As3的對比

　　圖3. RbCr3As3單晶的電阻溫度曲線及與Rb2Cr3As3的對比

　　圖4. Na2Cr3As3單晶的電阻溫度曲線與上臨界場

　　圖5. 準一維Cr系133和233結構超導體的超導Tc與鏈間距a的關系