Phys. Rev. Lett.：非平衡狀態下SnP極性/非極性相界的超導性

【引言】

鐵電材料通常是絕緣的，但仍有一些極性金屬材料既有金屬性質又有類鐵電失真性。1965年，Anderson和Blount等人預測在金屬中存在向鐵電態轉變的連續結構相變。基于此推測，已經探索和發展了顯示，如LiOsO₃等展現出極性結構轉變的材料已經得到了高度的重視和深入的研究。 盡管如此，具有極性對稱性的金屬仍然很少。 實驗證實在極性金屬中存在一些有趣的物理性質。在這些材料中還觀察到很大磁電阻、熱功率的臨界增強以及在壓力下與極性相共存的超導電性。然而，極性金屬多樣的物理性質以及對這些性質的調控仍有待探索。

【成果介紹】

近日，日本CEMS研究所的M. Kamitani教授（通訊作者）在環境壓力約為250K下，使SnP從簡單的NaCl結構轉化為極性四方晶體結構（此轉換為類鐵電結構轉換：即從非平衡價態Sn³⁺轉化為其他價態）。研究表明這種轉換，不僅使其晶體結構轉變，還使得其磁性、電子特性都發生了轉變。第一性原理計算驗證了實驗觀測所得的四方晶體結構變形加強了Sn到P的電荷轉移能力，從而使得極性四方相在能量上與非極性立方相相比更加穩定。實驗證明，流體靜壓施加的壓力可以使SnP中的結構相迅速轉換，從而導致在相競爭生長情況下有大塊超導相的存在。這些結果闡明對金屬中類鐵電相的不穩定控制可以成為創造新超導材料的另一條光明大道。該成果以題為“Superconductivity at the Polar-Nonpolar Phase Boundary of SnP with an Unusual Valence State”發布在Phys. Rev. Lett.上。

【圖文導讀】

圖1.（a）是SnP立方體相的晶體結構；（b）是SnP四方體相的晶體結構；（c）-（d）為能帶結構；（e）-（f）為態密度；（g）、（h）為Femi面，其中左圖都為立方相性質，右圖都為四方相性質。

圖2. (a)300到5 K的 SnP 粉末 x-ray 散射 圖像(樣品 B;具體實驗細節參照 Supplemental Material) ；

?(b) 樣品B中，立方體相（紅色圈內）表示不同質量分數的溫度變化和四角形相(藍色圈內)表示有極性的相?；

(c)? 樣品A在 1 T強度磁場下的鐵磁性隨溫度改變的變化；

(d)? 樣品A的電阻率隨溫度變化而發生的變化（黑色箭頭表示溫度掃描的方向）。

圖3. (a) 300K靜水力條件下，試樣A的電阻率隨溫度變化曲線；

（為了更清晰的表示，圖中數據以垂直距離-0.2間隔來表示一個大氣壓的變化）

?(b) 靜水力下，樣品A電阻率隨溫度變化曲線的低溫區域圖；

（c）靜水壓下，field 樣品 B在1 mT 下一定區域范圍內冷加工鐵磁性隨溫度變化曲線。

圖4. (a) 1.8 K下，隨著鐵磁性增大壓力的變化趨勢 (Meissner 標志) ；

(b)一定壓力和溫度下SnP平面內電子和晶格相的直徑。紅色和藍色的圈分別表示觀察所得熱處理和冷處理過程中立方相（非極性）向四角相（極性）的轉化溫度T_s。 只有在穩壓下的T_s是由鐵磁性衡量的。

開放的圓圈代表單纖維（非塊狀）組分的超導轉化溫度。本身是塊狀的超導體，比如Tc （用矩形圈表示），所得電阻率數據與Meissner 標志性的超導性分數整理數據相區分。

Tc由電阻率值開始統計（為了使圖像更清楚，我們將數據放大20倍）。

【小結】

作者討論了SnP在非平衡狀態下由立方體相向鐵電四角結構轉化的單相共格結構。同時也討論了在結構轉變中施加壓力其超導性的產生機理。第一性原理計算解釋，由于Sn 向P轉換是電流是增加的，所以極性四角相是穩定態。四角極性相在穩壓下是穩定態。但是，通過從0.5 GPa逐漸加壓，立方相立即表現穩定并在相生長的鐵電性平面上在重要晶界上出現塊狀超導性。Matthias 推測，鐵電性和超導性相互依存，相互競爭生長，而且后者支持理論計算。這篇文章所得結論很好地吻合了這一猜想。

文獻鏈接：Superconductivity at the Polar-Nonpolar Phase Boundary of SnP with an Unusual Valence State（Physical Review Letters. 2017, DOI:10.1103/PhysRevLett.119.207001）

本文由材料人編輯部付鈺編輯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。?

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