原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 19 August 2020; 

online 26 August 2020

首次在含f电子的量子自旋液体候选材料NaYbSe2中实现了压力诱发的莫特绝缘体金属化相变和超导电性。为进一步研究量子自旋液体和非常规超导机理以及f电子材料的超导，提供了一个非常重要的平台。

量子自旋液体是指由于其中存在的强量子涨落导致自旋即使在零温极限下也不形成磁有序的一种新的自旋量子态。它的基态没有确定的序参量来表示，并且不伴随任何自发的对称性破缺，超越了朗道相变理论所能描述的物相范畴，代表了一种新奇的量子物态。量子自旋液体通常被认为是非常规超导体的母体，经过适当的电子或者空穴掺杂之后发生莫特（Mott）相变就会实现超导。因此开展量子自旋液体从绝缘体到金属的Mott相变研究，进而探索可能的超导电性，不仅能进一步深化人们对量子自旋液体本征物性的理解，而且将会对揭示非常规超导体的机理具有非常重要的意义。

中科院物理所的于润泽副研究员、靳常青研究员团队和中国人民大学物理系的雷和畅教授团队以及清华大学物理系的张广铭教授合作，运用自主研发的能达到200万大气压（1万大气压~1 GPa）的高压低温强场综合物性表征系统，首次在无机量子自旋液体候选材料NaYbSe2中观察到了压力诱导的莫特绝缘体金属化相变和超导电性。NaYbSe2是目前发现的所有量子自旋液体材料中结构最简单的，排除了有机量子自旋液体中的结构无序干扰效应，更易于聚焦材料的本征物性[Liu et al. Chin. Phys. Lett. 35 (2018) 117501]。研究发现NaYbSe2单晶材料在8 GPa以下电阻表现出了极高的绝缘性，以至于超出了设备的测量范围。从8 GPa到50 GPa，样品一直保持绝缘属性，但是电阻的数值下降了近8个数量级[图1(a), 1(b)]。在58.9 GPa左右在高温区出现了金属化迹象，低温出现了一个弱局域化区域，该区域随着压力增加逐渐向低温区移动，最终在75 GPa实现了完全的金属化[图1(c)]。进一步增加压力在103 GPa左右呈现了一个8 K左右的超导迹象，该超导转变温度随着压力增加基本保持不变，直至测量的最大压力值126 GPa（图2）。同时研究发现金属态的低温区域出现了一个从非费米液体行为到费米液体行为的转变。高压同步辐射衍射研究发现，在压力作用下NaYbSe2在11 GPa左右发生了一个从R-3mH到P-3m1的结构相变（图3）。

NaYbSe2属于稀土氧硫族大家族NaYbCh2 (Re=Rare earth, Ch=O, S, Se)。该材料体系成员多样，这为探究量子自旋液体Mott相变及非常规超导机理提供了一个极为丰富的宝库。此外Yb³⁺含有4f电子，这为进一步研究f电子材料的超导以及可能的重费米子超导提供了一个全新的平台。

该工作发表在Chin. Phys. Lett. (Express Letters) 37 (2020) 097404上。研究获得了科技部（2016YFA0300504, 2018YFE0202600 和 2018YFA0305701）、基金委（11774423, 11822412和 11921004）、以及中国人民大学科学研究基金（中央高校基本科研业务费专项资金资助18XNLG14，19XNLG17）等支持。

图1. NaYbSe2压力作用下从绝缘体到金属的转变。(a) NaYbSe2在49.6 GPa以下的电阻随温度变化的曲线。(b) 变程的跳跃模型𝑅(𝑇) = 𝑅0 exp(𝑇0/𝑇 )^1/(𝑑+1)模型拟合出来的T0随压力的变化曲线，表明能隙随压力逐渐减小。(c) NaYbSe2在58.9到70.4 GPa压力区间内电阻随温度变化的曲线。箭头所指表示出现了弱局域化。插图是在66.1 GPa压力下电阻随温度的对数曲线。

图2. 压力诱发的NaYbSe2超导电性。(a) NaYbSe2在74.8到98.9 GPa压力区间内电阻随温度变化的曲线。(b) NaYbSe2在103.4到126 GPa压力区间内电阻随温度变化的曲线。电阻的突然降低表明出现了超导迹象。(c) 126 GPa压力下超导转变温度随外磁场的变化，证实了超导属性。(d) 𝑅(𝑇) = 𝑅0 + 𝐴𝑇^𝑛公式拟合金属态得到的n值随压力的变化，表明随压力增加发生了从非费米液体到费米液体行为的变化。

图3. NaYbSe2的温度-压力（P-T）相图。其中WL，SC，QSL，FL和NFL分别代表弱局域化、超导电性、量子自旋液体、费米液体和非费米液体。

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