高压驱动下准一维Ti4MnBi2材料中的异常导电现象

《Journal of Alloys and Compounds》：High-Pressure Driven Anomalous Conductions in quasi-one-dimensional Ti4MnBi2

低维量子临界体系Ti4MnBi2在高压下的结构演变与电输运特性研究。通过原位X射线衍射和电导率测量发现，在9.0 GPa以上发生相II（c轴收缩、层间距缩小）和19.5 GPa附近相III（c轴进一步压缩、层间距趋于均匀）连续相变。相II中电导率温度指数n≈3.0，显著偏离费米液体特征（n≈2），与一维Mn基体系中的s-d散射关联机制相符，暗示可能存在量子临界行为。

　　

肖瑶|戴光阳|刘光华|董震|刘林谦|李彦茹|魏志豪|李新通|刘宇|王星|魏风春|刘文辉|邓峥|李文敏|金长青

河南工业大学材料科学与工程学院，中国郑州450007

摘要

低维系统是研究凝聚态物理学中涌现现象和维度限制效应的理想平台。受到最近发现的具有潜在量子临界点的准一维Ti₄MnBi₂的启发，我们研究了在压力作用下晶体结构和电子输运性质的演变。高达60.3 GPa的原位X射线衍射实验发现了两个连续的压力驱动结构转变：分别在9.0 GPa以上（第二相）和约19.5 GPa（第三相）。相应地，原位电输运测量显示，随着压缩程度的增加，材料表现出持续的金属行为。值得注意的是，电阻率温度指数n从标准拟合公式R(T) = R₀ + Aⁿ中发生了明显变化：在第二相中n从2变为约3，在第三相中又回到约2。接近3的n值特别值得关注，因为在像1T-TiSe₂和Ta₄Pd₃Te₁₆这样的相关系统中也观察到了这种行为，这可能源于这种化合物中的声子辅助带间散射机制。第二相和第三相中n的变化反映了维度效应，甚至可能是量子临界现象。

引言

在低维相关电子系统中，维度限制增强了电子关联、量子涨落[1]和各向异性相互作用[2]，从而产生了从自旋-电荷分离到非常规超导性[3],[4],[5]等各种奇异现象。特别是在一维（1D）材料中，强烈的量子涨落会破坏长程磁序，而电输运表现出明显的各向异性[6],[7],[8]。此外，1D能带内的不稳定性会导致多种有序状态，如金属-绝缘体转变[9]、密度波（DW）序[10]、拓扑相变[11]和非常规超导性（SC）[12],[13],[14]。尽管理想的1D材料难以合成，但具有良好分离原子链的准一维（quasi-1D）系统为探索典型的1D物理现象提供了可行的平台。在这些系统中，弱的链间耦合稳定了多种磁基态，这些基态可以通过压力有效调节[15],[16],[17],[18],[19]。主要的一维电子运动使得量子态对外部扰动异常敏感[20],[21],[22],[23],[24]。典型的例子包括1D莫特绝缘体Sr₂CuO₃中的自旋-轨道分离[25]，具有反平行自旋排列的dimerized CrS₆链在铁磁候选材料Ba₆Cr₂S₁₀中的特征[16]，以及非费米液体（FL）Ba₃TiTe₅中的压力诱导超导性[26]。

高压调节的潜力在基于Mn的系统中尤为突出，其中结构维度与电子态之间的关联微妙而深刻[27],[28],[29]。例如，准一维KMn₆Bi₅的特点是含有无限长的[Mn₆Bi₅]?柱状纳米线，其中心为Mn-Mn键合的金属核心[30]。对KMn₆Bi₅的高压研究表明，压缩驱动的Mn-Mn键长和链间耦合的调节有效抑制了磁序，并诱导了超导性，其转变温度（T_c）达到了9.3 K[31]。这些发现强化了这样一个认识：在低维基于Mn的金属间化合物中，压力诱导的结构演变——特别是Mn子晶格从1D链向3D网络的转变——是驱动宏观电子和磁性质显著变化的主要机制[32]。

最近，报道了具有良好分离Mn链的Ti₄MnBi₂表现出稳健的1D磁性和电子性质，以及量子临界态[33]。然而，这种独特的链状结构及其相应的输运性质在压缩下的演变仍然是一个未解之谜。在这项工作中，我们通过对Ti₄MnBi₂单晶进行综合的高压研究（结合了高达60.3 GPa的原位高压粉末X射线衍射（XRD）和电阻测量），追踪了压力诱导的结构转变，识别了相关的物理性质变化，并探讨了超导性的可能出现。我们观察到了连续的结构相变（第一相 → 第二相 → 第三相）。在第二相中，电阻率温度指数n约为3.0。这个不寻常的指数通常归因于声子辅助的s-d带间散射，并且经常与相关电子系统中超导性的开始联系在一起，尽管它并不是超导性或临界性的唯一标志。这一观察结果与之前通过非弹性中子散射和理论计算在Ti₄MnBi₂中发现量子临界点（T = 0 K）的研究结果一致[33]，尽管没有直接证据表明压力能否将参考文献[33]中的量子临界点扩展到更高的温度。尽管如此，寻找具有量子临界点（QCP）的新1D金属磁体仍然非常有趣，这些磁体可能伴随着非常规超导性和电子离域等新兴不稳定性，或者导致非FL行为的新激发。

样品制备与表征

采用自 flux方法生长了高质量的Ti₄MnBi₂单晶。高纯度的起始材料Ti（99.99%）、Mn（99.95%）和Bi（99.999%）按4:2:10的摩尔比混合，放入Al₂O₃管中，并密封在真空石英管内。石英管被加热到1423 K，保持30小时，然后以3 K/h的速率冷却到1073 K。在这个温度下，多余的Bi-flux被去除，得到了典型尺寸为0.5 × 0.5 × 4 mm³的针状晶体。

结果与讨论

Ti₄MnBi₂具有V₄SiSb₂型四方结构，空间群为I4/mcm（编号140），如图1(a, b)所示，其中Mn原子沿c轴排列成线性链，Mn–Mn间距为2.49 ?。在垂直的ab平面上，相邻的Mn链相隔7.42 ?，形成了高度各向异性的Mn子晶格。因此，单晶沿c轴生长。每个Mn离子嵌入由Ti原子形成的四方反棱柱形配位环境中。

结论

总结来说，我们系统研究了在高达60.3 GPa的压力下准一维Ti₄MnBi₂单晶的晶体结构和电子传导性质。外部压力驱动了两个连续的结构相变（第一相 → 第二相 → 第三相），伴随着电子导电性的持续增强。在第二相出现时，电阻率出现了明显的下降。值得注意的是，第二相明显偏离了标准的费米液体行为，n约为3。

作者贡献声明

李文敏、魏风春、邓峥和金长青构思并设计了该项目；肖瑶和戴光阳生长了单晶；肖瑶、戴光阳、刘文辉、王星进行了X射线衍射和磁化表征；肖瑶、戴光阳、刘宇和邓峥进行了电阻和比热测量；刘文辉进行了高压实验；肖瑶、刘文辉、魏风春、邓峥和李文敏撰写了论文。

CRediT作者贡献声明

刘林谦：研究。 李彦茹：研究。 金长青：撰写 – 审稿与编辑，概念化。 刘光华：研究，形式分析。 董震：研究。 刘文辉：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法学研究，研究，形式分析。 肖瑶：研究，形式分析，数据管理。 邓峥：撰写 – 审稿与编辑，可视化，形式分析，数据管理，概念化。 戴光阳：研究，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号12404008）、河南省科学院高层次人才研究启动项目资助（项目编号241827046、242027151、241827011）、河南省科学院基础研究基金（项目编号240627005、20250627007）、河南省自然科学基金（项目编号242300420640）、中国科学院青年科学家基础研究项目（编号YSBR-030）以及开放研究基金的支持。