铁基超导材料是铜氧化物之外的第二类高温超导材料，自2008年被发现以来，已经得到了人们的广泛研究和关注。最近一项研究揭示了其中的1111型母体材料CaFeAsF在量子极限附近的输运行为。
相关的研究结果以 “Magnetic-field-induced metal-insulator quantum phase transition in CaFeAsF near the quantum limit”为题，正式被SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版）接收并预出版，并将收录在2018年的“非常规超导”专题。
文章由中科院上海微系统所牟刚副研究员担任通讯作者撰写，胡涛副研究员为共同通讯作者，博士生马永辉为第一作者。作者在高达65 T 的脉冲强磁场下对CaFeAsF单晶的低温输运行为进行了研究，发现在量子极限附近该材料发生了从金属到绝缘体的量子相变。
铁基1111体系是最早被发现、体材料中转变温度最高的铁基超导材料，但长期以来一直缺乏大尺寸、高质量的单晶样品，因此制约了对这一材料体系相关物理问题的深入研究。近期，牟刚博士领导的研究小组选择化学性质温和的CaAs作为助熔剂，成功生长出了毫米尺寸、高质量的铁基超导1111体系的CaFeAsF单晶。在此基础上，他们和日本国立材料科学研究所（NIMS）的研究人员合作，通过量子震荡实验发现该材料具有非常小的费米面（包括一个常规的空穴型费米面和两个具有狄拉克色散关系的电子型费米面），初步表明这是一个研究量子极限行为的理想材料。
该项研究在武汉国家脉冲强磁场科学中心完成。如图1(a)和(b)所示，电阻率在30 T上下表现出显著不同的行为：在30 T以下电阻率随磁场线性增加，并且基本不受温度影响，显示出坏金属的特性；而在30 T以上，低温下的电阻率随着磁场的增大迅速上升，从30 T到60 T提高了大约30倍，同时电阻率显著依赖于温度的变化，表现为绝缘体的特点。进一步的分析表明，电阻率随磁场和温度的变化符合量子临界行为的标度率（如图1(c)所示），表明此处发生的可能是一个量子相变。基于前期量子震荡实验得到的费米能级、电子有效质量等信息，作者估算了朗道能级在强磁场下的分布情况，表明磁场为30 T时只有1-2个朗道能级被电子占据，材料已经接近量子极限。电阻率随磁场变化的指数分布（如图1(d)所示）清楚地反映了量子极限附近的情况。
图1 CaFeAsF在低温、强磁场下的输运行为
这一结果为1111型铁基超导母体材料的研究提供了新的信息。它对于人们了解该材料在强磁场下尤其是在接近量子极限时的输运行为，进而加深对铁基高温超导物理的理解，都有着重要的意义。
该项研究得到了中科院青年创新促进会项目（Nos. 2015187, 2016215）、国家自然科学基金项目（Nos. 11574338, 11204338, 11404359）以及中科院战略性先导科技专项（B类）（No. XDB04040300）的资助。
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YongHui Ma, Gang Mu, Tao Hu, ZengWei Zhu, ZhuoJun Li, Wei Li, QiuCheng Ji, Xuan Zhang, LingLing Wang, and XiaoMing Xie, Magnetic-field-induced metal-insulator quantum phase transition in CaFeAsF near the quantum limit, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2018, doi: https://doi.org/10.1007/s11433-017-9200-7
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