凝聚态物理中的许多反常现象，如近藤效应、重费米子行为和巨磁阻效应等源于局域磁矩与巡游电子之间的相互作用。在适当条件下，巡游电子在低温形成库珀对并与局域磁矩共存，体系会进入磁性超导态。由于磁有序与超导往往相互排斥，磁性超导体比较少见，但是一旦形成，磁性自由度的参与会使超导态具有非常规的配对机制或呈现反常物理现象。因此，探索新的磁性超导体对于研究非常规超导机制和发现新奇物性具有重要意义。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HX-EX6组博士后杨芃焘和刘子儀在王铂森副研究员和程金光研究员的指导下，与上海科技大学郭艳峰教授课题组合作，针对最近发现的新型巨磁阻材料EuTe2开展了高压调控研究，充分发挥综合极端条件实验装置六面砧高压实验站的独特优势，通过高静水压下的电输运、交流磁化率和交流比热测量，率先在EuTe2中发现压致超导电性，并观察到超导与反铁磁序的共存和反常的同步增强现象。
EuTe2具有CuAl2型晶体结构，其中具有局域磁矩的Eu2+离子(4f7, S = J = 7/2)层与提供传导电子的[Te2]2-层沿c轴交替堆叠，形成天然的三明治结构(图1a)。常压下，EuTe2呈现半导体特性，并在TN ≈ 11 K发生反铁磁相变，形成A型反铁磁结构，即c轴取向的Eu2+磁矩在层内铁磁排列，而在层间反铁磁排列(图1b)。在T < TN施加c轴方向的外磁场时，Eu2+磁矩会首先在HcSF ≈ 2-3 T发生突然的自旋翻转，转变为倾斜反铁磁结构(图1c，此时在c轴方向将产生净铁磁分量)，然后在更高磁场HcSP ≈ 7.6 T实现完全铁磁极化。磁电阻测试表明，Eu2+晶格的磁结构变化会引起电输运性质的突变，即自旋翻转的同时电阻陡降，造成低温下出现磁场诱导的半导体-金属转变，从而显示出巨磁阻效应(图1d)。这些常压下的研究结果表明，EuTe2是研究局域磁矩(Eu2+-4f7)与传导电子(Te-5p)强烈耦合而且结构非常简单的材料体系。关于EuTe2常压下的详细物性表征，可参考中山大学王猛教授课题组[Phys. Rev. Mater. 4, 013405 (2020)]和中科院宁波材料所李润伟研究员和钟志成研究员等的研究结果[Phys. Rev. B 104, 214419 (2021)]。
考虑到EuTe2在常压下的能隙只有14-16 meV，高压是调控该体系自旋-电荷耦合及磁电基态的有效手段。图2a给出了EuTe2单晶在0-11.5 GPa范围内不同压力下的电阻率ρ(T)曲线。可以看出，电阻率随着压力增加而逐渐减小，11.5 GPa时仍保持半导体行为；根据ρ(T)上的反常(箭头所示)所定义的TN随压力增加而单调升高，11.5 GPa时已升至约30 K。高压下交流磁化率(图2c)和交流比热(图2d)测试结果也进一步确认了TN随加压而逐渐升高的变化规律。出乎意料的是，对EuTe2施加P > Pc ≈ 6 GPa的压力时，ρ(T)在3-5 K出现超导转变，并随加压逐渐向高温移动(图2a插图)，而此时正常态ρ(T)仍保持半导体型的导电特征。通过高压下的交流磁化率测试并对比EuTe2和Pb的抗磁信号(图2b)，排除了杂质超导的可能，确认EuTe2中观察到的超导态为体超导。
为了进一步研究高压下的磁基态以及外磁场对正常态和超导态的影响，他们在Pc附近详细测试了不同磁场下的ρ(T)和不同温度下的ρ(H)曲线，发现磁场仍会造成半导体-金属转变(图3a)和电阻的陡降(图3b)。这表明EuTe2在Pc附近的高压下仍具有A型反铁磁结构，但HcSF会随压力增加而逐渐升高。磁场对电阻转变的逐渐抑制进一步验证了超导电性，同时在具有净铁磁分量的倾斜反铁磁态超导仍然可以存在(图3c)，这表明其具有较大的上临界磁场Hc2。如图3d所示，无论是采用Ginzburg-Landau (G-L)公式还是Werthamer-Helfand-Hohenberg (WHH)模型进行拟合，Pc附近超导态的零温Hc2(0)都非常接近甚至超过弱耦合的泡利顺磁极限HP = 1.84Tc，这说明EuTe2中的超导态具有强耦合或非常规配对机制。此外，图3d中的Hc2(T)数据点在~2 T发生了不连续侧移，这来源于Eu2+晶格的自旋翻转贡献了额外的内磁场，进一步表明局域磁矩对超导态具有调制作用。
综合以上实验结果，他们绘制了EuTe2单晶的温度-压力/磁场相图。如图4a所示，TN(P)随压力增加而升高，其斜率dTN/dP在Pc ≈ 6 GPa发生显著改变，即从0.85 K/GPa提高至3.7 K/GPa，而超导恰好在Pc附近出现，并且Tc(P)也随加压而单调升高。因此，EuTe2中发现的压致超导不仅与反铁磁序共存，而且二者还表现出反常的同步增强现象。此外，从Pc附近(~7 GPa)的温度-磁场相图(图4b)可以看出，超导态还可以与具有净铁磁分量的倾斜反铁磁序共存。由于高压下的同步辐射XRD测试结果排除了在Pc附近发生结构相变的可能，他们认为高压下EuTe2的物性演化与Te-5p能带的展宽和Eu2+磁交换作用的增强密切联系，即加压使Te-5p能带提供了更多的载流子，这些载流子在高温时通过间接交换作用增强了Eu2+离子之间的交换作用，同时在低温又形成库珀对。这可以解释超导的出现伴随着反铁磁序的同步增强，而磁性自由度的参与也可以理解超导态的反常性质。总之，EuTe2中发现的这些新奇物理现象值得深入研究，也为揭示磁性超导体中的配对机制和反常物性提供了一个新的材料研究平台。
参与本工作的还有物理所EX6组孙建平副研究员、SC4组董晓莉研究员和张华副研究员、T06组胡江平研究员和蒋坤特聘研究员以及东京大学Yoshiya Uwatoko教授等合作者。相关成果近期发表在Nature Communications 13, 2975 (2022)。该工作得到北京市自然科学基金重点专题项目、科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院B类先导专项和创新青年促进会等项目的支持。
P. T. Yang, Z. Y. Liu, K. Y. Chen, X. L. Liu, X. Zhang, Z. H. Yu, H. Zhang, J. P. Sun, Y. Uwatoko, X. L. Dong, K. Jiang, J. P. Hu, Y. F. Guo, B. S. Wang, and J.-G. Cheng, Pressured-induced superconducting phase with large upper critical field and concomitant enhancement of antiferromagnetic transition in EuTe2, Nature Commun., 13, 2975 (2022).
链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30718-5
图1. EuTe2常压下的结构和物性：(a)晶体结构示意图，(b) A型反铁磁结构，(c) 倾斜反铁磁结构，(d)不同磁场下的电阻率曲线，插图为5K时的磁阻曲线。
图2. EuTe2高压下的物性：(a) 电阻，(b) 低温区交流磁化率，(c) 高温区交流磁化率，(d) 交流比热。
图3. (a) EuTe2在~7 GPa压力和不同磁场下的电阻曲线, (b) 不同压力下的5 K电阻-磁场曲线, (c) EuTe2在6.6 GPa压力和不同磁场下的低温电阻曲线, (d) 临界压力附近的上临界磁场拟合，长虚线和短虚线分别表示Ginzburg-Landau (G-L)和Werthamer-Helfand-Hohenberg (WHH)模型拟合曲线，水平横线是两个样品的泡利顺磁极限Hp(0)。
图4. EuTe2的(a)温度-压力相图和(b)7 GPa的温度-磁场相图。