南京大学南京大学闻海虎、李庆团队在UAs2中发现压力下的非常规超导电性

近日，南京大学物理学院闻海虎教授团队与国防科技大学张超凡教授团队合作，在铀基新超导材料探索方面取得重要突破。团队成员利用高压原位测量技术，成功在UAs₂中观测到压力诱导的非常规超导电性，其最高起始转变温度(T_c)达4.05 K，零电阻温度为3.27 K，是目前已知T_c最高的铀基超导体。同时，实验测得的上临界磁场远超泡利顺磁极限，且正常态表现出偏离朗道费米液体的“奇异金属”行为，可能预示UAs₂中的超导具有非常规配对机制，是一种潜在的自旋三重态超导候选材料。其超导温度比目前研究正酣的自旋三态超导的候选材料UTe₂的超导温度高出一倍。

具有自旋三重态配对的非常规超导电性不仅是凝聚态物理的前沿热点，更在拓扑量子计算领域展现出巨大的应用潜力。然而，自然界中本征的自旋三重态超导体极为罕见。近年来，铀基重费米子材料 UTe₂因其潜在的自旋三重态特性而备受关注，成为该领域的研究焦点。寻找更多此类候选材料，对于理解非常规超导机理至关重要。在前期研究中，闻海虎教授团队通过系统调研发现一类具有四方对称性（SG: P4/nmm）的铀基化合物UX₂(X=P, As, Sb, Bi)。由于该类材料中铀的 5f 电子兼具巡游性与局域性，表现出显著的电子关联效应、强二维电子特性及复杂的费米面结构，理论上极有可能存在由强关联效应诱导的非常规超导电性。

图1.(A) 不同压力下UAs₂的电阻-温度曲线，结构相变前后电输运的行为发生了明显的变化；(B) 压力依赖的室温电阻值(R_300K)和晶胞参数曲线，灰色区域表示结构相变发生的压力范围；(C, D) 低温区间UAs₂在不同压力下的超导转变。超导态之上的正常态输运表现出近线性电阻行为。

为了研究该类材料中可能的超导电性，研究团队利用原位高压输运测量技术和高压同步辐射X射线衍射手段，对反铁磁母体材料UAs₂进行了深入研究，揭示了压力诱导的非常规超导及其与多种有序态的共存/竞争关系，包括：(1) 反铁磁序的抑制和结构相变：随着压力的增加，UAs₂的反铁磁有序温度逐渐被抑制。在约20 GPa左右，材料发生从四方相到正交相的结构相变。同步辐射衍射数据显示，相变前后晶格常数发生突变，同时电输运行为也对应发生显著改变，见图 1A, B。(2) 压力诱导超导电性：结构相变彻底破坏了长程反铁磁序，并在低温下诱导出超导电性。在最佳压力下，超导起始转变温度高达4.05 K，见图 1C, D。这一数值不仅显著高于常压下 UTe₂的T_c（约 1.6-2.1 K），也超过了大多数已知的高压铀基重费米子超导体，显著提高了铀基超导体的转变温度纪录。(3) 非常规配对证据：基于 G-L 模型的拟合结果，该材料的零温上临界场（H_c2）约为12 T，远超对应T_c的泡利顺磁极限，这是非常规超导配对的特征之一。此外，在最佳超导压力附近，超导态之上的正常态电阻率随温度呈线性依赖关系，见图 1C，即表现出“奇异金属”行为。

图2.UAs2在压力下的超导相图，相图中给出了结构相变、磁有序、超导电性和奇异金属行为之间丰富的共存/竞争关系。

基于上述实验结果，研究团队得以构建出UAs₂在压力下的相图，其呈现出丰富的物理。相图清晰的显示出基态的反铁磁序在压力下逐渐被抑制，伴随着结构相变的发生反铁磁序被完全破坏，并在低温出现穹顶形状的超导区域的过程。值得注意的是正常态电阻行为的温度幂函数指数n在最优超导压力附近从费米液体值~2急剧下降至~1左右，此为典型的奇异金属行为，并与相图中超导的出现相伴出现；超过最优压力后n逐渐恢复至2（费米液体行为），超导也随之消失。上述结果表明奇异金属行为与超导电性的发生高度关联，而这种超越朗道费米液体的行为通常与量子临界涨落密切相关，暗示反铁磁量子临界可能是驱动该超导配对的潜在机制。该工作首次在铀基5f电子材料UAs₂中实现了T_c超过4 K的非常规超导。其“高T_c、超越泡利极限的上临界场、正常态奇异金属行为”的三重特征，使UAs₂成为继UTe₂之后又一个潜在的自旋三重态超导候选材料。上述发现不仅丰富了铀基重费米子超导相图，也为在同时包含f 电子和d电子的多轨道体系中探索更高T_c的非常规超导体提供了新的途径。

相关成果近期以 “Unconventional superconductivity in UAs₂under pressure” 为题发表于Science Advances[Sci. Adv.12, eaed6248 (2026)]。南京大学物理学院李庆助理教授、项浙宁博士生、张英杰博士和国防科技大学的张滨滨博士为论文的共同第一作者，闻海虎教授和张超凡教授为共同通讯作者。此工作得到国家重点研发计划、自然科学基金委、教育部双一流学科建设、固体微结构物理全国重点实验室、2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心” 的支持，在此表示感谢。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed6248