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论文标题：Coexistence of superconductivity and antiferromagentic order in Er₂O₂Bi with anti-ThCr₂Si₂ structure (Er₂O₂Bi化合物中反铁磁序与超导序共存)

期刊：

作者：Lei Qiao , Ning-hua Wu, Tianhao Li , Siqi Wu , Zhuyi Zhang , Miaocong Li, Jiang Ma , Baijiang Lv , Yupeng Li , Chenchao Xu , Qian Tao , Chao Cao , Guang-Han Cao , Zhu-An Xu

发表时间：15 Jul 2021

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RESEARCH ARTICLE

Lei Qiao, Ning-hua Wu, Tianhao Li, Siqi Wu, Zhuyi Zhang, Miaocong Li, Jiang Ma, Baijiang Lv, Yupeng Li, Chenchao Xu, Qian Tao, Chao Cao, Guang-Han Cao, and Zhu-An Xu, , Front. Phys. 16(6), 63501 (2021)

反铁磁序与超导的共存会带来更加复杂的基态，探索两者之间的关系有助于更深入地认识超导机理，为寻找新的非常规超导体带来契机。作为层状的反ThCr₂Si₂结构，Ln₂O₂Bi （Ln=Y和镧系）中既含有稀土元素，又会出现超导电性，成为最近的一个研究兴趣。特别是其中的稀土元素的4f电子是否局域，是否会与传导电子发生强的作用，对超导电性起到何种影响，是值得关注的问题。近期浙江大学物理系许祝安教授课题组发表题为“”（Front. Phys. 16(6), 63501 (2021)）的研究文章，通过电阻率、磁化强度、比热测量和第一性原理计算，研究了具有反ThCr₂Si₂结构的化合物Er₂O₂Bi中超导性和反铁磁顺序的共存。

Er₂O₂Bi（简称Er221）中Er元素带有11个4f电子，在化合物中常显示出局域的磁矩，同时以前的报道已经发现Er₂O₂Bi具有T_c=1.2 K的超导电性，但是号称需要添加CaO作为氧化剂以增加样品的氧含量才会得到超导电性。作者首先利用固相反应法制备出不同氧含量的Er221超导样品，通过系统的电阻率和磁性测量发现，最佳Er₂O₂Bi样品的超导转变温度为1.23 K，与其共存的反铁磁转变温度为3 K左右。磁性Er₂O₂Bi的超导上临界场为0.061 T，电声子耦合系数为0.53，这两个参数都与无磁性的Y₂O₂Bi材料十分相似，表明Er₂O₂Bi和Y₂O₂Bi可能具备同样的超导起源。第一性原理计算显示，无论是在反铁磁态还是顺磁态，Er₂O₂Bi的费米面都主要由Bi 6p轨道组成，4f电子对费米面几乎没有贡献。 随着Er₂O_xBi中的x值从1.8增大到2.0，即氧含量的增加，超导转变温度从1 K上升到1.23 K，与此同时，反铁磁转变温度从3 K略微下降到了2.96 K，揭示了超导与反铁磁序可能存在竞争关系。霍尔效应测量显示，随着氧含量的增加，空穴型载流子浓度也在不断上升，这也许可以解释超导转变温度和反铁磁转变温度随氧含量的变化关系。对这个体系的研究为理解超导电性与4f电子之间的相互关系提供了新的例子。

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摘要

We investigated the coexistence of superconductivity and antiferromagnetic order in the compound Er₂O₂Bi with anti-ThCr₂Si₂-type structure through resistivity, magnetization, specific heat measurements and first-principle calculations. The superconducting transition temperature T_c of 1.23 K and antiferromagnetic transition temperature TN of 3 K are observed in the sample with the best nominal composition. The superconducting upper critical field H_c2(0) and electron-phonon coupling constant λ_e−ph in Er₂O₂Bi are similar to those in the previously reported non-magnetic superconductor Y₂O₂Bi with the same structure, indicating that the superconductivity in Er₂O₂Bi may have the same origin as in Y₂O₂Bi. The first-principle calculations of Er₂O₂Bi show that the Fermi surface is mainly composed of the Bi 6p orbitals both in the paramagnetic and antiferromagnetic state, implying minor effect of the 4f electrons on the Fermi surface. Besides, upon increasing the oxygen incorporation in Er₂O_xBi, T_c increases from 1 to 1.23 K and T_N decreases slightly from 3 K to 2.96 K, revealing that superconductivity and antiferromagnetic order may compete with each other. The Hall effect measurements indicate that hole-type carrier density indeed increases with increasing oxygen content, which may account for the variations of T_c and T_N with different oxygen content.

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Qian Niu, , Front. Phys. 15(4), 43601 (2020)

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