中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
EX1组供稿
第17期
2009年07月01日
铁基超导体物性研究取得新进展
铁基超导体是目前超导和强关联电子系统研究领域关注的热点之一。极端条件实验室王楠林领导的课题组继续在这一领域开展深入研究。
铁基超导体目前已经发现有多个不同的结构体系，典型的代表体系包括ReFeAsO (Re=La和稀土元素) （1111体系）、AFe2As2 （A＝Ba, Sr, Ca, Eu等） （122体系）、LiFeAs或NaFeAs （111体系）、Fe(Te,Se) (11体系)等。前三个均是FeAs四面体为基本单元形成的超导体系，最后一个则不含As元素，是由FeTe或FeSe四面体构成基本结构单元。在已经知道的1111和122体系，其没有掺杂的母体均会发生结构相变和反铁磁自旋密度波（SDW）相变，取决于层间耦合的强弱，结构相变和磁相变可同时发生（如122）也可先后发生（如1111）。虽然第一性原理计算表明111体系与1111和122体系的电子结构极为类似，但先前在没有掺杂的111体系多晶样品开展的实验研究从未发现结构或磁相变，使得FeAs为基的母体是否一定具有SDW基态成为疑问。课题组的陈根富研究员率先在111体系生长出接近化学计量的单晶样品，通过输运和热力学测量发现存在多个相变，包括52K和41K会发生两个相变，23K以下体系进入超导态。他们的研究表明，52K和41K发生的两个相变应分别对应于结构和SDW相变，而很低的超导成分则是由于样品偏离化学计量的掺杂引起（Phys. Rev. Lett. 102, 227004 (2009)）。他们随即与戴鹏程领导的中子散射组合作，证实了52K和41K分别发生结构和磁相变，实验定出的SDW态磁结构与1111或122体系相同（Phys. Rev. B, Rapid Communications, in-press (2009)）。
不含As的11结构体系则十分特别，虽然计算表明其能带结构与FeAs为基的其它体系完全类似，但中子散射实验却发现其低温下磁有序相的反铁磁波矢是在（π，0），而不是连接电子和空穴费米面的波矢（π，π）。这使得费米面叠套驱动的SDW图像对该体系很难适用。课题组的陈根富等生长了该体系的FeTe母体和Se掺杂的超导单晶样品，通过多种实验手段揭示母体的性质与FeAs为基的母体有很大不同，高温下几乎没有自由电子的Drude响应，反映出准粒子寿命很短，电子输运是非相干的，而低温的磁有序态电荷激发谱上并没有能隙打开，这与不是费米面叠套驱动的SDW相一致。实验表明该体系中额外Fe离子导致很强的杂质散射效应。该工作发表在Phys. Rev. B 79，140509 (Rapid Communications)(2009))。课题组随即与Princeton大学的Hasan教授小组合作，用角分辨光电子能谱对其电子结构进行细致研究，同样没有发现能隙打开，实验还直接揭示不存在与反铁磁波矢（π，0）相对应的明显费米面叠套效应（Phys. Rev. Lett. 103, in-press (2009)）。上述工作表明11体系FeTe的反铁磁有序与FeAs体系有较大不同，局域磁矩的交换作用对其量子磁性扮演了更重要角色。
此外，该课题组还和浙江大学的袁辉球教授合作研究了FeAs超导体(Ba,K)Fe2As2磁场下的行为，发现低温下上临界磁场的各项异性倾向消失，呈现较强三维特性（Nature 457, 565 (2009)）。与Columbia大学Uemura教授小组合作用muSR研究了1111结构体系磁有序随组分的变化，以及超流电子浓度和Tc之间的关系（Phys. Rev. Lett. 102, 087001 (2009)）。
上述研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和科技部相关项目的资助。
铁基超导体目前已经发现有多个不同的结构体系，典型的代表体系包括ReFeAsO (Re=La和稀土元素) （1111体系）、AFe2As2 （A＝Ba, Sr, Ca, Eu等） （122体系）、LiFeAs或NaFeAs （111体系）、Fe(Te,Se) (11体系)等。前三个均是FeAs四面体为基本单元形成的超导体系，最后一个则不含As元素，是由FeTe或FeSe四面体构成基本结构单元。在已经知道的1111和122体系，其没有掺杂的母体均会发生结构相变和反铁磁自旋密度波（SDW）相变，取决于层间耦合的强弱，结构相变和磁相变可同时发生（如122）也可先后发生（如1111）。虽然第一性原理计算表明111体系与1111和122体系的电子结构极为类似，但先前在没有掺杂的111体系多晶样品开展的实验研究从未发现结构或磁相变，使得FeAs为基的母体是否一定具有SDW基态成为疑问。课题组的陈根富研究员率先在111体系生长出接近化学计量的单晶样品，通过输运和热力学测量发现存在多个相变，包括52K和41K会发生两个相变，23K以下体系进入超导态。他们的研究表明，52K和41K发生的两个相变应分别对应于结构和SDW相变，而很低的超导成分则是由于样品偏离化学计量的掺杂引起（Phys. Rev. Lett. 102, 227004 (2009)）。他们随即与戴鹏程领导的中子散射组合作，证实了52K和41K分别发生结构和磁相变，实验定出的SDW态磁结构与1111或122体系相同（Phys. Rev. B, Rapid Communications, in-press (2009)）。
不含As的11结构体系则十分特别，虽然计算表明其能带结构与FeAs为基的其它体系完全类似，但中子散射实验却发现其低温下磁有序相的反铁磁波矢是在（π，0），而不是连接电子和空穴费米面的波矢（π，π）。这使得费米面叠套驱动的SDW图像对该体系很难适用。课题组的陈根富等生长了该体系的FeTe母体和Se掺杂的超导单晶样品，通过多种实验手段揭示母体的性质与FeAs为基的母体有很大不同，高温下几乎没有自由电子的Drude响应，反映出准粒子寿命很短，电子输运是非相干的，而低温的磁有序态电荷激发谱上并没有能隙打开，这与不是费米面叠套驱动的SDW相一致。实验表明该体系中额外Fe离子导致很强的杂质散射效应。该工作发表在Phys. Rev. B 79，140509 (Rapid Communications)(2009))。课题组随即与Princeton大学的Hasan教授小组合作，用角分辨光电子能谱对其电子结构进行细致研究，同样没有发现能隙打开，实验还直接揭示不存在与反铁磁波矢（π，0）相对应的明显费米面叠套效应（Phys. Rev. Lett. 103, in-press (2009)）。上述工作表明11体系FeTe的反铁磁有序与FeAs体系有较大不同，局域磁矩的交换作用对其量子磁性扮演了更重要角色。
此外，该课题组还和浙江大学的袁辉球教授合作研究了FeAs超导体(Ba,K)Fe2As2磁场下的行为，发现低温下上临界磁场的各项异性倾向消失，呈现较强三维特性（Nature 457, 565 (2009)）。与Columbia大学Uemura教授小组合作用muSR研究了1111结构体系磁有序随组分的变化，以及超流电子浓度和Tc之间的关系（Phys. Rev. Lett. 102, 087001 (2009)）。
上述研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和科技部相关项目的资助。