Phys. Rev. Lett.：非平衡状态下SnP极性/非极性相界的超导性

【引言】

铁电材料通常是绝缘的，但仍有一些极性金属材料既有金属性质又有类铁电失真性。1965年，Anderson和Blount等人预测在金属中存在向铁电态转变的连续结构相变。基于此推测，已经探索和发展了显示，如LiOsO₃等展现出极性结构转变的材料已经得到了高度的重视和深入的研究。 尽管如此，具有极性对称性的金属仍然很少。 实验证实在极性金属中存在一些有趣的物理性质。在这些材料中还观察到很大磁电阻、热功率的临界增强以及在压力下与极性相共存的超导电性。然而，极性金属多样的物理性质以及对这些性质的调控仍有待探索。

【成果介绍】

近日，日本CEMS研究所的M. Kamitani教授（通讯作者）在环境压力约为250K下，使SnP从简单的NaCl结构转化为极性四方晶体结构（此转换为类铁电结构转换：即从非平衡价态Sn³⁺转化为其他价态）。研究表明这种转换，不仅使其晶体结构转变，还使得其磁性、电子特性都发生了转变。第一性原理计算验证了实验观测所得的四方晶体结构变形加强了Sn到P的电荷转移能力，从而使得极性四方相在能量上与非极性立方相相比更加稳定。实验证明，流体静压施加的压力可以使SnP中的结构相迅速转换，从而导致在相竞争生长情况下有大块超导相的存在。这些结果阐明对金属中类铁电相的不稳定控制可以成为创造新超导材料的另一条光明大道。该成果以题为“Superconductivity at the Polar-Nonpolar Phase Boundary of SnP with an Unusual Valence State”发布在Phys. Rev. Lett.上。

【图文导读】

图1.（a）是SnP立方体相的晶体结构；（b）是SnP四方体相的晶体结构；（c）-（d）为能带结构；（e）-（f）为态密度；（g）、（h）为Femi面，其中左图都为立方相性质，右图都为四方相性质。

图2. (a)300到5 K的SnP粉末x-ray散射图像(样品B;具体实验细节参照Supplemental Material) ；

(b)样品B中，立方体相（红色圈内）表示不同质量分数的温度变化和四角形相(蓝色圈内)表示有极性的相；

(c)样品A在1 T强度磁场下的铁磁性随温度改变的变化；

(d)样品A的电阻率随温度变化而发生的变化（黑色箭头表示温度扫描的方向）。

图3. (a) 300K静水力条件下，试样A的电阻率随温度变化曲线；

（为了更清晰的表示，图中数据以垂直距离-0.2间隔来表示一个大气压的变化）

(b)静水力下，样品A电阻率随温度变化曲线的低温区域图；

（c）静水压下，field 样品 B在1 mT 下一定区域范围内冷加工铁磁性随温度变化曲线。

图4. (a) 1.8 K下，随着铁磁性增大压力的变化趋势 (Meissner 标志) ；

(b)一定压力和温度下SnP平面内电子和晶格相的直径。红色和蓝色的圈分别表示观察所得热处理和冷处理过程中立方相（非极性）向四角相（极性）的转化温度T_s。 只有在稳压下的T_s是由铁磁性衡量的。

开放的圆圈代表单纤维（非块状）组分的超导转化温度。本身是块状的超导体，比如Tc （用矩形圈表示），所得电阻率数据与Meissner 标志性的超导性分数整理数据相区分。

Tc由电阻率值开始统计（为了使图像更清楚，我们将数据放大20倍）。

【小结】

作者讨论了SnP在非平衡状态下由立方体相向铁电四角结构转化的单相共格结构。同时也讨论了在结构转变中施加压力其超导性的产生机理。第一性原理计算解释，由于Sn 向P转换是电流是增加的，所以极性四角相是稳定态。四角极性相在稳压下是稳定态。但是，通过从0.5 GPa逐渐加压，立方相立即表现稳定并在相生长的铁电性平面上在重要晶界上出现块状超导性。Matthias 推测，铁电性和超导性相互依存，相互竞争生长，而且后者支持理论计算。这篇文章所得结论很好地吻合了这一猜想。

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

本文由材料人编辑部付钰编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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