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2014年第4期 总第004期 11月
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铁基超导体中自旋向列相的中子散射研究取得重要进展

  物理学研究中把从高对称性到低对称性的变化称之为对称性破缺。例如四重对称(旋转90°后重合)的正方形拉伸后成为二重对称(旋转180°后重合)的长方形。在凝聚态物质中,材料的晶体结构和电子组态也将发生类似的对称性破缺,从而形成新的结构形态或电子相,理解这些电子态的微观起源一直以来都是凝聚态物理研究的核心课题。铁基高温超导材料母体结构在高温下属于四重对称的四方相(正方棱柱),随着温度的降低到Ts以下,其晶轴将沿着a方向略微伸长而发生结构相变,形成低温下的二重对称正交相(长方棱柱),造成ab面内的结构对称性破缺。相应地,其自旋结构也将从高温下无序的顺磁态转变为低温下有序的反铁磁态,其自旋排列沿a轴为反铁磁(反向排列),沿b轴为铁磁(同向排列),对应磁相变温度为反铁磁奈尔温度TN(见图1)。在退孪晶的铁基超导单晶中,低温下沿a方向的电阻要比b方向的电阻小得多,即面内电阻存在很强的二重对称性,这种电阻的各向异性度要远大于晶格畸变带来的差异,说明其物理本质来源于电子态自身。更重要的是,这种二重对称的电子态特征持续到了结构相变温度Ts之上,在四重对称的四方相晶格结构中形成了电子态对称性破缺。这种保持平移对称而破坏旋转对称的电子态被称为电子向列相,其微观机理是理解高温超导材料中复杂电子态相图及新奇量子行为的基础之一。尽管已有实验从电荷的角度揭示铁基超导材料中电子向列相从母体到最佳掺杂附近样品均普遍存在,但其他实验和理论表明从轨道的角度也同样可以造成类似的电子态对称性破缺。此外,一些实验证据则表明杂质散射造成的局域各向异性同样可以出现类似特征。因此,有关铁基超导材料中电子向列相的物理起源仍然存在很大的争议,从自旋的角度给出电子向列相的决定性证据也一直处于空白,许多物理机制仍待深入理解。
  最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室的博士生鲁兴业、硕士生张睿、罗会仟副研究员、戴鹏程研究员等人利用非弹性中子散射实验手段,首次从自旋角度针对电子型掺杂铁基超导体BaFe2-xNixAs2中电子向列相问题开展了相关研究。原则上,在未加偏置压力的孪晶样品中,其a方向和b方向将无法区分,两类具有90°对称的晶体畴区将在二重对称的低温正交相下形成四重对称的低能自旋涨落(见图2 A),和高温四方相下的对称性完全相同(见图2 C)。因此,要从自旋角度揭示电子向列相的存在必须在退孪晶样品上进行测量。他们首先发展了一套适合中子散射实验的退孪晶实验装置,通过在结构相变温度Ts之上沿着晶体b轴加偏置压力,单晶样品在Ts之下将保持单畴区形态,这构成了研究电子态平面内各向异性的技术基础 (见图2 D)。通过选取样品和中子束流的相对位置,就可以研究两个位于四重对称位置的倒空间点Q=(1, 0, 1)(对应实空间a方向)和(0, 1, 1)(对应实空间b方向)处的低能自旋涨落。他们首先确认母体材料BaFe2As2在低温正交相中低能磁激发仅存在于Q=(1, 0, 1)反铁磁点,即是二重对称的(见图2 B)。随着温度升到Ts=TN=138 K之上,Q=(0, 1, 1)点的磁激发也开始出现,但其强度要远小于Q=(1, 0, 1)点,两者的差异持续到了160 K左右(见图3),远远高于结构相变温度,这种自旋激发态的对称性破缺是自旋向列相的典型特征。接下来他们在欠掺杂样品BaFe1.915Ni0.085As2(Ts=58 K,TN=44 K)中同样观测到了高温四方相下具有二重对称性的自旋激发并发现其持续到了 80 K,说明自旋向列相在欠掺杂样品中也同样存在。最后他们在不存在结构相变和磁相变的过掺杂样品BaFe1.88Ni0.12As2(一直是四方相)中开展了类似的实验,证实该样品中自旋激发差异已经完全消失,即自旋激发恢复了四重对称态。通过对比电阻各向异性的测量结果,他们发现自旋激发差异产生的温度点和掺杂区间与电荷角度揭示的向列相结果高度一致(见图4),这说明电输运测量观测到的电子向列相和中子散射观测到的自旋向列相之间具有相同的物理起源。这一系列中子散射研究首次从自旋角度确证了电子向列相的存在,并为其微观物理起源解释提供了重要实验依据,对理解高温超导体中电子向列相乃至赝能隙的形成有重要参考意义。该项研究工作于2014年7月31日在美国的《科学》杂志上发表【详见Science DOI: 10.1126/science.1251853】。
  上述研究工作中的非弹性中子散射实验与德国慕尼黑的Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) 研究所的J. T. Park博士合作完成,在理论方面与美国莱斯大学的斯其苗教授和A. H. Nevidomskyy教授开展了密切合作。
  该研究工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金以及美国相关科学基金等项目的支持。
  文章链接:Nematic spin correlations in the tetragonal state of uniaxial-strained BaFe2−xNixAs2

图1. BaFe2-xNixAs2晶体结构及ab面内磁结构
图2. 零压力和有限偏置压力下BaFe2As2母体的磁激发分布,其中D为退孪晶实验装置。
图3. BaFe2As2母体低能自旋激发在Q=(1, 0, 1)和(0, 1, 1)处差异持续到160 K并与电阻结果对应。
图4. 自旋向列相与平面内各向异性电阻在相图中的分布存在高度一致性。
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