Unconventional superconductivity emerging along with the strange-metal behavior in UAs2 under pressure

本研究报道了在 UAs2 中发现了压力诱导的非传统超导现象，其最高临界温度为 4 K，该现象伴随奇异金属行为出现，并展现出远超泡利极限的稳健上临界场，表明其涉及 5f 带电子的量子临界起源。

要点

想象一个电力流动完全没有任何电阻的世界。这就是超导性的梦想。通常，这种现象发生在材料被冷却至接近绝对零度时。但科学家们一直在寻找一种特殊的超导体——一种以“怪异”方式工作的超导体，它可能为未来的量子计算机铺平道路。

最近，一个科学家团队在一种名为UAs₂（砷化铀）的材料中发现了一种这种“怪异”超导性的新候选者，但前提是必须对其施加极大的压力。

以下是他们发现的故事，简单解释如下：

1. 起点：一块脾气暴躁的金属

在正常压力下（就像你房间里的空气），UAs₂ 有点脾气暴躁。它是一种能导电的金属，但在特定温度下（约 274 开尔文，即略高于冰点），它有着“坏脾气”。在这个点上，内部的原子会按照一种特定的磁性模式排列，称为反铁磁性。想象一下，这就像一群人，每个人都静止站立，并且面向与邻居相反的方向。这种磁性的“僵硬”阻止了该材料变成超导体。

2. 挤压：改变规则

科学家们将这种材料放入一个微小的金刚石压砧（Diamond Anvil Cell）中并开始挤压。想象一下挤压海绵；当你施加压力时，海绵的形状和性质都会改变。

• 临界点：当他们把材料挤压到大约20 个大气压（20 吉帕）时，发生了戏剧性的变化。磁性的“僵硬”被打破了。材料发生了结构变化，从类似正方形的排列转变为矩形排列。
• 魔法显现：一旦这种磁序被粉碎，该材料突然变成了超导体！它在高达4 开尔文（约 -269°C）的温度下开始以零电阻传导电力。这是该特定铀基材料家族中记录到的最高超导温度。

3. “奇异金属”的线索

这是最有趣的部分。通常，当金属变冷时，其电阻会沿着可预测的曲线下降。但在被挤压的 UAs₂ 中，就在它变成超导体之前，电力的行为变得很奇怪。

科学家发现，随着温度下降，电阻呈完美的直线下降。在物理学界，这被称为**“奇异金属”**状态。

• 类比：想象你在开车。通常，当你减速时，摩擦力的变化是复杂的。但在这种“奇异金属”中，无论你的速度有多快，摩擦力的减缓都遵循一条完美、可预测的直线。这种直线行为是科学家们几十年来一直在追寻的神秘非常规超导体的著名“指纹”。

4. 磁性护盾

为了测试这是否是一种“特殊”的超导体，他们用强磁铁对其进行了冲击。

• 泡利极限：对于普通超导体而言，存在一个理论上的“速度限制”，即它能承受多少磁场而不被破坏。这就像一座大坝，只能阻挡一定量的水。
• 结果：UAs₂ 超导体不仅挡住了水，还冲垮了大坝。它承受了两倍于普通超导体理论极限的磁场。这表明内部的电子以非常不寻常的方式配对（可能是“自旋三重态”配对），类似于最近著名的材料 UTe₂。

5. 量子临界点

科学家们注意到，这种“奇异金属”行为和超导性恰好出现在磁序被压力粉碎的那一刻。

• 隐喻：想象一个走钢丝的人。“量子临界点”就是走钢丝的人即将坠落的那一瞬间。在这种材料中，“坠落”（磁性的崩溃）创造了一个混乱且充满能量的环境，实际上帮助了超导性的形成。“奇异金属”行为就是材料在这个边缘摇摇欲坠的信号。

总结

该论文声称，通过将砷化铀（UAs₂）挤压到极端压力下，他们：

1. 粉碎了其磁序。
2. 创造了一种新状态，使其在 4 开尔文时变成超导体。
3. 发现其行为像“奇异金属”（具有线性电阻），这是奇异物理的标志性特征。
4. 发现它能承受远超正常极限的磁场，表明存在一种罕见的电子配对类型。

这一发现为神秘的铀基材料家族增添了一名新成员，并为科学家提供了一个新的游乐场，用于研究磁性、压力和奇异金属如何相互作用以产生超导性。

技术摘要

技术摘要：高压下 UAs₂ 中的非常规超导性与奇异金属行为

问题与动机
非常规超导性，特别是具有自旋三重态配对的超导性，由于其在全拓扑量子计算中的潜力，仍是凝聚态物理的核心追求。虽然基于铀的化合物 UTe₂ 最近作为自旋三重态超导体的候选者引起了广泛关注，但本征实例却十分罕见。作者研究了 UTe₂ 的同类化合物铀双磷族化合物 UAs₂，以探索铀基系统中磁性与超导性之间的相互作用。已知在常压下，UAs₂ 是一种具有高温奈尔温度（$T_N \approx 274$ K）的反铁磁体（AFM）。本研究旨在确定通过高压抑制这种磁序是否能诱导超导性，以及这种状态是否表现出非常规配对的特征，如奇异金属行为和超过泡利极限的上临界场。

方法
研究人员利用化学气相输运法生长了高质量的 UAs₂ 单晶。该研究结合了常压表征和原位高压电输运测量。

• 常压： 进行了单晶 X 射线衍射（XRD）、直流磁化（SQUID-VSM）和电阻率测量，以建立基准结构和磁学性质。
• 高压： 使用 BeCu 型金刚石对顶砧（DAC）配合四探针范德堡构型进行电阻率测量。使用软 KBr 作为传压介质，并通过红宝石荧光法校准压力。测量范围延伸至 40.5 GPa。
• 分析： 利用幂律公式 $R(T) = R_0 + AT^n$ 分析电阻率的温度依赖性（$R(T)$），以区分费米液体（$n \approx 2$）、奇异金属（$n \approx 1$）及其他输运行为。通过在不同磁场下测量 $R(T)$ 并将数据拟合至金兹堡 - 朗道方程，确定上临界场（$\mu_0H_{c2}$）。

关键结果

1. 反铁磁性的抑制与结构相变： 在常压下，UAs₂ 表现出金属行为，并在 274 K 发生反铁磁（AFM）相变。随着压力增加，$T_N$ 单调下降。在约 20 GPa 处，室温电阻发生突然下降，归因于从四方对称性到正交对称性的结构相变。在约 22.5 GPa 以上，长程反铁磁序被完全抑制。
2. 超导性的出现： 在进一步增加压力并抑制反铁磁序后，出现超导态。超导转变温度（$T_c$）随压力增加而升高，在 26.8 GPa 时达到约 4.05 K 的最大起始 $T_c$ 和 3.27 K 的零电阻 $T_c$。超导穹顶相对狭窄，在 31.9 GPa 以上完全消失。
3. 奇异金属行为： 在超导转变之上的正常态中，电阻在很宽的温度范围内表现出线性温度依赖性（$R \propto T$，或 $n \approx 1$）。这种“奇异金属”行为在超导最佳压力附近（约 26.8 GPa）最为稳健，并且即使在超导性被强磁场（高达 9 T）抑制时依然存在。
4. 上临界场与非常规配对： 超导态对磁场具有鲁棒性。零温上临界场 $\mu_0H_{c2}(0)$ 估计约为 12 T。该值显著超过泡利顺磁极限（对于 $T_c = 3.6$ K，$\mu_0H_p \approx 1.84 T_c \approx 6.6$ T），表明配对机制是非常规的，且可能具有自旋三重态性质。
5. 量子临界性： 相图显示在约 20 GPa 处存在一个反铁磁序崩塌的量子临界点（QCP）。奇异金属态（$n \approx 1$）与最佳超导穹顶在该 QCP 附近的共存表明，超导性很可能源于与量子临界性相关的涨落。

意义与主张
作者声称，他们的工作首次展示了 UAs₂ 中压力诱导的超导性，实现了约 4 K 的 $T_c$，这是迄今为止报道的具有 5f 带电子的铀基化合物中最高的。该研究确立了该系统中反铁磁性抑制、奇异金属态出现与非常规超导性之间的明确联系。

该论文提出，超过泡利极限的高上临界场与奇异金属行为的结合，强烈暗示了一种奇特的配对机制，可能是类似于 UTe₂ 所提出的自旋三重态。作者强调，高压下的 UAs₂ 提供了一个丰富的相图，融合了反铁磁性、鲁棒超导性、奇异金属行为和量子临界性，为研究铀基材料中 5f 电子的巡游 - 局域双重性质提供了新途径。他们得出结论，这些发现支持在其他含有部分填充 f 带和 d 带电子的化合物中探索非常规超导体。