北京大学王健教授团队：半磁悬浮与非磁悬浮LK-99样品中的铁磁与绝缘行为
❖
Citation
Ferromagnetic and insulating behavior in both half magnetic levitation and non-levitation LK-99 like samples
Pinyuan Wang, Xiaoqi Liu, Jun Ge, Chengcheng Ji, Haoran Ji, Yanzhao Liu, Yiwen Ai, Gaoxing Ma, Shichao Qi & Jian Wang*
Quantum Frontiers 2, 10 (2023)
https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-023-00035-z
研究背景
室温常压超导是凝聚态物理学的终极目标之一，一旦实现，就将对科学，工业，信息技术等领域带来革命性的冲击。最近，有韩国团队报道一种铜替代的改性铅磷灰石结构（，或称为LK-99）表现出室温常压超导性。他们声称在这一材料中观察到温度低于105℃时电阻的突降以及室温下的抗磁性与半磁悬浮行为。受这一研究影响，凝聚态物理学界掀起了围绕LK-99材料的研究热潮。然而，不同团队的实验显示了不同的磁性和电输运性质，这可能与样品间的差异有关。因此，有必要针对这一体系进行全面系统的磁性与电输运性质表征。
研究亮点
1.成功合成多晶LK-99样品，并成功挑选出具有室温半磁悬浮行为的样品。
2.通过系统的电输运与磁性表征，证明所合成的样品无论有或没有室温半磁悬浮行为，都表现出一致的绝缘与软铁磁特性。
3.分析表明所合成的样品的半磁悬浮行为来源于体系的软铁磁性，该体系应为磁性绝缘体或半导体。
研究进展
北京大学王健团队成功合成了多晶LK-99样品。通过X射线衍射（XRD）与X射线能量色散光谱分析（EDS），他们验证了所合成的样品主要由改性铅磷灰石（）与硫化亚铜（）构成。他们利用钕磁铁（）挑选出了室温下半磁悬浮和非磁悬浮的两类样品，并分别进行了系统的电输运与磁性质表征。输运结果表明，两类样品都表现出绝缘行为，都可以被带隙绝缘体模型很好的描述，并且两类样品拟合出的能隙均接近200毫电子伏特。磁性表征结果显示，两类样品都具有持续到室温的软铁磁性。进一步分析表明所合成的样品的半磁悬浮行为来源于体系的室温软铁磁性。他们合成的样品，无论是电输运还是磁性质测量，都没有观测到超导材料应有的零电阻行为或者迈森纳效应，反而表现出磁性绝缘体或半导体行为。
图文导读
室温超导是凝聚态物理学的“圣杯”。近日，有研究团队报道声称改性铅磷灰石（）具有室温常压超导特性，引起了研究界极大的关注。不同独立研究团队对这一体系的磁性与电输运实验结果并不一致，可能与样品间的差异有关。为了进一步确认LK-99体系的性质，有必要对LK-99样品进行系统的磁性与电输运性质表征。
北京大学王健团队成功合成了多晶LK-99样品。通过X射线衍射（XRD，图1）与X射线能量色散光谱分析（EDS，图2，4），他们验证了所合成的样品主要由改性铅磷灰石（）与硫化亚铜（）构成，与之前报道的样品基本一致。随后，他们利用钕磁铁（）挑选出了室温下半磁悬浮和非磁悬浮的两类样品，并分别对两类不同样品进行了系统的电输运与磁性质表征。
对于室温下非磁悬浮的样品（图3），输运结果显示，其电阻率随温度下降而上升，呈现出典型的绝缘行为。这一电阻-温度关系可以被带隙绝缘体模型很好地描述，其拟合能隙约为228.49毫电子伏特。磁性结果显示，不悬浮样品具有从低温持续到室温的磁滞回线，以及从400 K到2 K分离的零场冷与场冷磁化强度-温度曲线。这表明非磁悬浮样品具有室温软铁磁性。
对于具有室温半磁悬浮的样品（图5），输运结果显示，其电阻率随温度下降而上升，与不悬浮样品一样呈现出典型的绝缘行为。同样，这一电阻-温度关系也可以被带隙绝缘体模型拟合，其拟合能隙约为207.52毫电子伏特。磁性表征结果显示，半悬浮样品也具有从低温持续到室温的磁滞回线和分离的零场冷与场冷磁化强度-温度曲线。这表明半磁悬浮样品也具有持续到室温的软铁磁性。
实验结果表明，无论是室温不悬浮还是半磁悬浮的样品，均具有绝缘和软铁磁性。进一步分析表明所合成的样品的半磁悬浮行为来源于体系的软铁磁性。在合成的样品中，无论是电输运还是磁性质测量，都没有观测到超导材料应有的零电阻行为或者迈森纳效应。他们的研究揭示了LK-99的铁磁性和200毫电子伏特左右的绝缘带隙，表明LK-99可能是一种具有一定潜力的铁磁绝缘体或半导体材料。图1. 所合成LK-99样品在室温下的XRD谱（黑色曲线），以及标准铅磷灰石（红色曲线），硫化亚铜（蓝色曲线）和铜（绿色曲线）的XRD谱。
图2. (a)非磁悬浮样品的光学照片(b-f) 非磁悬浮样品EDS面分布谱，表明体系中存在Pb(b)，P(c)，Cu(d)，O(e)和S(f)元素。可观察到Cu元素与Pb（P）元素分布基本呈现空间上的互补，表明该样品基本由改性铅磷灰石及含Cu杂质构成。
图3. 非磁悬浮样品的电输运与磁性质表征。 (a)电阻率随温度的依赖曲线，呈现出典型的绝缘行为。 (b)绝缘行为可以被带隙绝缘体模型很好的拟合，拟合出的能隙为228.49毫电子伏特。 (c)低温和室温磁化强度与磁场(M-H)的依赖关系曲线 。(d)扣除高场下线性抗磁背底后的M-H曲线。 (e)零场附近局部放大的M-H 曲线。(f)在100奥斯特外磁场下，样品磁化强度随温度(M-T)的依赖曲线。图中两条分别代表零场冷与场冷M-T曲线。
图4. (a)半磁悬浮样品的光学照片(b-f) 半磁悬浮样品EDS面分布谱，表明体系中存在Pb(b)，P(c)，Cu(d)，O(e)和S(f)元素。同样可观察到Cu元素与Pb（P）元素分布基本呈现空间上的互补。
图5. 半磁悬浮样品的电输运与磁性质表征。 (a)电阻率随温度的依赖曲线，呈现出典型的绝缘行为 。(b)绝缘行为可以被带隙绝缘体模型很好的拟合，拟合出的能隙为207.52毫电子伏特。 (c)低温和室温M-H曲线。 (d)扣除高场下线性抗磁背底后的M-H曲线。 (e)零场附近局部放大的M-H 曲线。 (f)在100奥斯特外磁场下，样品零场冷与场冷M-T曲线。
作者简介
第一作者
汪品源 博士研究生
北京大学物理学院量子材料科学中心
通讯作者
王健 教授
北京大学物理学院量子材料科学中心
主要研究方向
低维超导与拓扑材料的物性。
主要研究成果
2010年起在北大成立独立研究组，建立了极低温强磁场量子输运与分子束外延-扫描隧道显微镜联合实验室，围绕低维超导与拓扑材料的物性，在新奇量子物态与量子相变方面取得了一系列重要的原创性发现。代表性工作包括：1）在二维单晶超导体中发现，逼近绝对零温时，无序引起动力学临界指数在相变临界点发散，这种新的量子相变被称为量子格里菲斯奇异性，被认为是二维超导领域三个重要主题之一；2）在二维超导中证实存在玻色子主导的量子金属态；3）在单层铁基高温超导薄膜中直接观测到由非零动量库珀对形成的、超导序参量周期性调制的配对密度波态；4）在拓扑半金属表面调制出超导以及在二维高温超导薄膜中发现拓扑零能激发态；5）在拓扑材料中发现随磁场呈对数周期的新规律的量子振荡，以及在本征磁性拓扑材料器件中发现高陈数和高温陈绝缘体态等。
上述成果得到了国内外学术界高度认可：在Science、Nature 等期刊发表论文120多篇，国内外学术会议上做邀请报告100多次；荣获马丁·伍德爵士中国科学奖、教育部高校青年科学奖、全球华人物理与天文学会亚洲成就奖等。
往期回顾
《Quantum Frontiers》首届编委会议顺利召开
❖