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中国科学院物理研究所 EX1组供稿 第17期 2009年7月1日
北京凝聚态物理国家实验室
 
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。
 
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