进展发展离子液体调控技术揭示铁基超导与奇异金属态间量化规律

　　高温超导微观机理 是凝聚态物理最具挑战的科学难题之一。当高温超导电性被外场破坏后，其正常态电阻率会展现出随温度线性变化（从高温延伸至接近绝对零度）的＂奇异金属＂行为。十年前，研究人员发现 奇异金属正常态与高温超导之间存在着密切联系 ，探究两者间量化物理规律是揭示高温超导微观机理的重要路径。然而高温超导材料组成结构复杂，传统的合成与表征手段难以获得足够数量的高精度数据，定性到定量认识过程极具挑战，因此亟需发展新的实验手段实现对单一变量的高效、高精度控制。鉴于此，中国科学院物理研究所超导国家重点实验室金魁研究员团队发展了材料基因工程连续组分单晶薄膜实验技术，在1平方厘米的SrTiO3单晶衬底上实现精细的元素配比调控，成功制备出具有单晶品质、化学组分连续变化的高温超导La2-xCexCuO4薄膜 (0.10 ≤ x ≤0.19)。同时，结合跨尺度表征技术，将物性分辨率提升两个数量级（从10-2至10-4）， 首次揭示超导转变温度Tc与奇异金属线性电阻斜率A1间的量化规律，即Tc∝A1^0.5 【Nature 602, 431 (2022)】。接下来一个关键的问题是： Tc和A1之间的0.5次幂关系是否具有普适性及其物理意义是什么？ 尽管已有的研究数据表明空穴型铜氧化物和有机超导体也符合这一趋势，但由于其数据点较少，缺乏系统性的数据从而难以给出准确的结论。
　　最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC02组江星宇、秦明阳、魏鑫健等在陈其宏特聘研究员和金魁研究员的指导下，发展了单一变量调控和原位表征技术，精细调控铁基材料超导电性并深入探索其奇异金属态和超导之间的定量化规律。他们采用脉冲激光沉积法生长FeSe薄膜，并利用离子液体调控进行电子掺杂，实现了FeSe的Tc从8K至45K的连续调控。为了表征调控过程中载流子掺杂均匀性，团队搭建了离子液体调控和原位互感线圈集成装置，调控过程中连续、平行移动的超导抗磁转变证实离子液体具有均匀、整体调控的效果。同时，他们和武汉、合肥强场中心展开合作，利用强磁场压制超导， 首次获得了FeSe体系奇异金属态的实验证据 ：强磁场下正常态电阻率随温度线性依赖、低温下正常态电阻率随磁场线性依赖、以及磁电阻率随温度（T）和磁场（H）的H/T标度不变行为。最终，通过离子液体精细调控获得了在很宽的掺杂范围内超导温度Tc和奇异金属态线性电阻斜率A1的系统数据，证实其具有抛物线关系，也就是说 Tc∝A1^0.5 对FeSe基超导体同样成立。 这一结果证实两大高温超导家族—铁基和铜基超导体具有相似的规律，表明高温超导与奇异金属态之间的相互作用具有普适性。 过去的研究表明电子型铜氧化物的配对媒介很可能是反铁磁涨落，这一结论跟有机超导体的图像也非常吻合。而FeSe和这些超导体系相似的奇异金属态行为、Tc和A1的量化关系，以及FeSe本身较强的反铁磁自旋涨落，说明自旋涨落很可能对FeSe的超导配对具有重要作用，不同的高温超导家族具有相似的配对驱动因素。
　　以上研究成果以＂＂为题，于2023年1月16日在杂志在线发表。在同期发表的研究简报（Research Briefing）中，Nature Physics杂志主编David Abergel评价 ＂This paper is exciting because finding a quantitative relationship between the strange metal and superconductivity indicates that the mechanism for these might be universal to other superconductors, such as the cuprates（这个工作报道的奇异金属态和超导之间的定量化关系是一个令人兴奋的发现，说明铁基和铜基超导很可能具有相同的机制）＂。该工作得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划、广东省重点领域研发计划的支持、中科院战略性先导科技专项（B类）和中科院稳定支持基础研究领域青年团队的支持。
　　该工作是在赵忠贤院士的建议下，由陈其宏特聘研究员和金魁研究员构思并带领团队攻关，冯中沛、林泽丰、陈赋聪、赵展艺生长了薄膜样品，物理所蒋坤特聘研究员、胡江平研究员、向涛院士提供理论支持，国家脉冲强磁场科学中心（武汉）杨明和王俊峰教授等、中国科学院强磁场科学中心（合肥）郗传英和王钊胜研究员等协助高场测量，江星宇、秦明阳、魏鑫健为并列第一作者，多名博士后、研究生和已毕业博士生参与贡献。陈其宏特聘研究员、金魁研究员为共同通讯作者。
　　图1，基于离子液体调控揭示FeSe奇异金属态与超导的定量化物理规律。 A 、离子液体调控下电阻率温度曲线。 B 、不同调控状态下抗磁性随温度依赖关系。 C 、高磁场下电阻率温度关系。 D 、奇异金属态和超导随掺杂演化相图。颜色图表示实验数据和线性拟合之间的差值。 E 、超导温度（c）和线性电阻斜率（1□）关系。