Evolution from Unconventional Spin Density Wave to Superconductivity and a Pseudogaplike Phase in NaFe_{1-x}Co_{x}As

We report the doping, temperature, and spatial evolutions of the electronic structure of NaFe_{1-x}Co_{x}As studied by scanning tunneling microscopy. In the parent state we directly observe the spin density wave gap, which exhibits unconventional features that are incompatible with simple Fermi surface nesting. The optimally doped sample has a single superconducting gap, but in the overdoped regime a novel pseudogaplike feature emerges. The pseudogaplike phase coexists with superconductivity in the ground state, persists well into the normal state, and shows strong spatial variations. The characteristics of the three distinct electronic states revealed here shed important new lights on the microscopic models for the iron-based superconductors.     

Review of nuclear magnetic resonance studies on iron-based superconductors

The newly discovered iron-based superconductors have triggered renewed enormous research interest in the condensed matter physics community. Nuclear magnetic resonance （NMR） is a low-energy local probe for studying strongly correlated electrons, and particularly important for high-Tc superconductors. In this paper, we review NMR studies on the structural transition, antiferromagnetic order, spin fluctuations, and superconducting properties of several iron-based high-Tc superconductors, including LaFeAsOl_xFx, LaFeAsOl_x, BaFe2As2, Bal_xKxFe2As2, Cao.23Nao.67Fe2As2, BaFe2（Asl_xPx）2, Ba（Fel_xRux）2As2, Ba（Fel_xCox）2As2, Lil＋xFeAs, LiFel_xCoxAs, NaFeAs, NaFel_xCoxAs, KyFe2_xSe2, and （T1,Rb）yFe2_xSe2.     

高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

超导是一种奇异的宏观量子现象.100多年来,已发现的超导体主要分为两类:以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体.常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释,但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识,已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题.从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构,是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础.角分辨光电子能谱技术,由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量,在高温超导研究中发挥了重要的作用.本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展,主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等.这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.     

铁基超导体中的化学掺杂研究

目前已经发现的绝大部分铁基超导体都是通过化学掺杂而得到的。铁基超导体的母体一般在200K以下经历自旋密度波（SDW）转变：即其基态是一类巡游电子反铁磁不良导体。通过适当的元素替代可以在FeAs层产生额外的电子、空穴、巡游性或化学压力,从而有效地抑制SDW序,实现超导电性。本文侧重作者所在小组的相关研究结果,将铁基超导体中的元素替代研究分为FeAs层外和FeAs层内掺杂两大类,依次介绍和评述两年来国际上对4种主要铁基化合物中的化学掺杂研究进展。     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.     

Angle-resolved photoemission spectroscopy study on iron-based superconductors

Angle-resolved photoemission spectroscopy （ARPES） has played an important role in determining the band structure and the superconducting gap structure of iron-based superconductors. In this paper, from the ARPES perspective, we briefly review the main results from our group in recent years on the iron-based superconductors and their parent compounds, and depict our current understanding on the antiferromagnetism and superconductivity in these materials.     

利用单轴压强下的电阻变化研究铁基超导体中的向列涨落

铁基超导体中普遍存在着反铁磁、超导和向列相,因此研究向列相的性质及其与反铁磁、超导的关系对于理解铁基超导体的低能物理及高温超导电性具有非常重要的作用.所谓向列相是指电子态自发破缺了晶格的面内四重旋转对称性而形成的有序态,从而导致样品的某些物理性质出现了两重的各向异性.我们通过自主研发的单轴压强装置,可以在低温下原位改变压强,测量电阻的变化,从而得到向列极化率.本文介绍了我们利用该装置在最近几年研究铁基超导体的向列相和向列涨落所取得的一些成果,包括详细研究了BaFe_(2-x)Ni_xAs_2体系中的向列量子临界点及其量子临界涨落,并提出了基于向列涨落强弱调节的铁基超导体统一相图.这些结果表明,向列相及其涨落与反铁磁和超导均有很强的耦合,对于理解铁基超导体中磁性和超导电性非常关键.     

Charge stripe structure in FeTe

We report the STM study on a single-crystalline sample of FeTe at 7.8 K. FeTe is one of the iron-based superconductor. We measured the resistivity and the magnetization of FeTe. FeTe shows SDW transition at 58 K on these measurements. We study the electronic state of FeTe by using STM/STS for observing FeTe from a microscopic viewpoint. We observed the iron layer and the tellurium layer with atomic resolution. Moreover, we discover the charge stripe structure on STM/STS measurement. We find the charge stripe structure is caused by iron atoms from the analysis. The gap structure of 9 meV was observed in tunneling spectra. This gap size is consistent with the SDW gap which is expected from mean field theory with T_N=58 K.     

Mössbauer studies of the peculiar magnetism in parent compounds of the iron-based superconductors

A review of the magnetism in the parent compounds of the iron-based superconductors is given based on the transmission Mössbauer spectroscopy of ⁵⁷Fe and ¹⁵¹Eu. It was found that the 3d magnetism is of the itinerant character with varying admixture of the spin-polarized covalent bonds. For the ‘122’ compounds, a longitudinal spin density wave (SDW) develops. In the case of the EuFe₂As₂, a divalent europium arranges in an anti-ferromagnetical order at a much lower temperature as compared with the onset of SDW. These two magnetic systems remain almost uncoupled one to another. For the non-stoichiometric Fe_1+xTe parent of the ‘11’ family, one has a transversal SDW and magnetic order of the interstitial iron with relatively high and localized magnetic moments. These two systems are strongly coupled one to another. For the ‘grand parent’ of the iron-based superconductors FeAs, one observes two mutually orthogonal phase-related transversal SDW on the iron sites. There are two sets of such spin arrangements due to two crystallographic iron sites. The FeAs exhibits the highest covalency among the compounds studied, but it has still a metallic character.     

高温超导体组合薄膜和相图表征高通量方法

铜氧化物超导体和铁基高温超导体是已知的两类高温超导体,研究高温超导机理是如今超导领域最具有挑战性的前沿课题.构建高温超导的高维精确相图、寻找决定超导转变温度的关键物理量可以为高温超导机理做好实验铺垫.对于铜氧化物高温超导体,多种自由度的相互关联与耦合使其相图呈现出复杂性与多样性.现有的研究方法在构建高维“全息”相图及获取定量化物理规律等方面面临着难以克服的困难,而材料的高通量制备与表征技术可以在相图空间实现参量的线扫描甚至面扫描,有望快速建立可靠的高温超导高维相图和高温超导关键参量数据库,并从中提取重要的统计物理规律.本文从阳离子掺杂、母体氧掺杂、双电层晶体管(静电场/电化学)、磁场等几个调控维度,回顾了主要基于输运手段获得的铜氧化物电子态相图,介绍了基于脉冲激光沉积技术和分子束外延技术的组合薄膜生长方法以及与之匹配的跨尺度选区输运测量技术,展示了高通量技术在高温超导研究中的初步应用.高通量实验技术与超导研究结合,逐步形成了新兴的高通量超导研究范式,将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推进超导材料实用化等方面发挥不可替代的作用.     

铁基超导体的输运性质

在铁基超导体中存在着多种有序态,例如电子向列相和自旋密度波等,从而呈现出丰富的物理现象.输运性质的测量能为认识铁基超导体的低能激发提供极为有用的信息.铁砷超导体由于其电子结构的多能带特性,其电阻率和霍尔系数与温度的关系出现多样性的变化,但在正常态并没有看到有类似铜氧化物超导体的赝能隙打开等奇异行为.在空穴型掺杂的铁基超导体中观测到霍尔系数在低温下变号,对应温区的电阻率上出现一个很宽的鼓包等,可能是从非相干到相干态的转变.热电势行为也表现出与铜氧化物超导体的明显差异,比如铁基超导体的正常态热电势的绝对值反而在最佳掺杂区是最大的,这也许跟强的带间散射有关.能斯特效应表明铁基超导体在Tc以上的超导位相涨落并不明显,与铜氧化物超导体存在明显差别.在铁基超导体上所显示出来的这些反常热电性质,并没有在类似结构的镍基超导体(如LaNiAsO)上观测到,镍基超导体表现得更像一个通常的金属.这些均说明铁基超导体的奇异输运性质与其高温超导电性存在内在的关联,这些因素是建立其超导机理时需要考虑进去的.     

铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展

铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s^±波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.     

铁基超导体中的反铁磁序和自旋动力学

类似于其他非常规超导材料,铁基高温超导电性通常出现在静态长程反铁磁序被抑制之后,并且强烈的自旋涨落始终与超导电性相伴相生,因此理解磁性相互作用是建立铁基超导微观机理的重要前提.中子散射作为研究凝聚态物质中磁性相互作用的有力工具,在揭示铁基超导电性的磁性起源方面起到了关键作用.本文系统总结了近十年来铁基超导材料的中子散射研究结果,包括铁基超导材料中的静态磁结构、磁性相变、动态磁激发、电子向列相等,并探讨它们与超导电性之间的关系.     

新型铁基超导体角分辨光电子能谱研究

最近发现的新型122结构的铁基超导体掀起了铁基高温超导研究的又一轮热潮.文章利用角分辨光电子能谱实验手段,研究了这类新型铁基材料的电子结构、费米面拓扑和超导能隙.实验结果表明,其在布里渊区中心的能带结构及费米面与其他铁基超导体存在明显差异,并导致嵌套在粒子-空穴通道的费米面消失.另外,在布里渊区边缘的电子型费米面发现了较强的并且有各向同性的超导能隙.这些结果对可能的超导配对机制提出了严格的限制.     

铁基超导体多轨道模型中的电子关联与轨道选择

大部分铁基超导体的正常态呈现坏金属行为, 这表明体系中存在较强的电子关联效应. 最近的实验与理论研究显示, 铁基超导体中的电子关联具有多轨道的特征. 本文介绍与评论铁基超导体多轨道哈伯德模型中电子关联方面理论研究的最新进展; 着重讨论以隶自旋技术为代表的一系列量子多体计算方法在研究多轨道系统中金属绝缘体相变的应用. 理论计算给出了铁基超导体多轨道哈伯德模型基于电子关联的基态相图. 在对应母体化合物的电子填充数时, 基态存在从金属到绝缘体的莫特转变. 临近莫特转变, 体系呈现坏金属行为; 其电子性质存在较强的轨道选择性. 轨道选择性的强弱与体系中的洪德耦合和轨道的晶体场劈裂密切相关. 对钾铁硒系统, 研究发现其基态相图存在轨道选择莫特相: 其中铁的3d xy轨道已被莫特局域化, 但其他3d轨道电子仍具有巡游性. 这一新相的发现, 对理解以钾铁硒为代表的一大类铁基超导体正常态与超导之间的联系提供了重要线索.     

112型铁基化合物EuFeAs2的单晶生长与表征

铁基超导体中含有一类特殊的112型结构化合物,其层状结构中含有一层锯齿形的As链构型.本文报道了用CsCl助熔剂法生长新型铁基112型EuFeAs₂母体单晶的具体方法,以及对该单晶的结构和物性的详细表征.通过能量色散X射线能谱扫描对单晶样品进行的化学成分分析,以及单晶X射线衍射的结构解析,确定该单晶样品属于EuFeAs₂相,结构精修得到EuFeAs₂具有空间群为Imm2（No.44）的正交晶体结构,晶格常数分别是a=21.285（9）Å,b=3.9082（10）Å,c=3.9752（9）Å.通过低温电阻测量,发现在110 K附近和46 K附近存在两个异常电阻跳变.进一步分析表明,110 K附近存在两个邻近的相变,这两个相变与铁基母体材料中常见的结构相变和Fe²⁺的反铁磁相变相符合.结合磁化率测量分析,可知46 K附近的相变属于Eu²⁺的反铁磁相变.     

Coexistence of superconductivity and spin density wave orderings in the organic superconductor (TMTSF) 2 PF 6

The phase diagram of the organic superconductor (TMTSF)₂PF₆has been revisited using transport measurements with an improved control of the applied pressure. We have found a 0.8 kbar wide pressure domain below the critical point (9.43 kbar, 1.2 K) for the stabilisation of the superconducting ground state featuring a coexistence regime between spin density wave (SDW) and superconductivity (SC). The inhomogeneous character of the said pressure domain is supported by the analysis of the resistivity between T _SDW and T _SC and the superconducting critical current. The onset temperature T _SC is practically constant ( 1.20±0.01 K) in this region where only the SC/SDW domain proportion below T _SC is increasing under pressure. An homogeneous superconducting state is recovered above the critical pressure with T _SC falling at increasing pressure. We propose a model comparing the free energy of a phase exhibiting a segregation between SDW and SC domains and the free energy of homogeneous phases which explains fairly well our experimental findings. Received 3 September 2001 and Received in final form 9 November 2001     

铁基超导体系基于电子关联强度的统一相图

铁基超导和铜基超导具有诸多相似性,这为建立统一的高温超导机理图像提供了可能性.然而,对铁基超导体系中无论是进行电荷掺杂、还是等价掺杂来改变化学压力,都能产生定性上类似、而细节上纷繁复杂的相图,这对建立统一的图像造成了困难.研究化学掺杂效应如何在微观上影响电子结构和超导电性,区分主导超导电性演化的主要因素和次要因素,对建立统一图像和揭示高温超导机理至关重要.本文综述了对铁基超导体系中化学掺杂效应的一系列角分辨光电子能谱研究,涵盖了基于FeAs和FeSe面的多种代表性铁基超导体系,包括异价掺杂、等价掺杂、在元胞不同位置的化学掺杂,及其对电子体系在费米面结构、杂质散射、电子关联强度等方面的影响.实验结果表明：电子关联性或能带宽度是多个铁基超导相图背后的普适参数,不同的晶格和杂质散射效应导致了并不重要的复杂细节,而费米面拓扑结构与超导电性的关联并不强.这些结果对弱耦合机理图像提出了挑战,并促使人们通过局域反铁磁交换作用配对图像在带宽演化层面上统一地理解铁基超导.     

Local electronic structures in electron-doped cuprates with coexisting orders

Motivated by the observation of a so-called non-monotonic gap in recent angle-resolved photoemission spectroscopy measurement, we study the local electronic structure near impurities in electron-doped cuprates by considering the influence of antiferromagnetic (AF) spin-density-wave (SDW) order. We find that the evolution of density of states (DOS) with AF SDW order clearly indicates the non-monotonic d-wave gap behavior. More interestingly, the local DOS for spin-up is much different from that for spin-down with increasing AF SDW order. As a result, the impurity induced resonance state near the Fermi energy exhibits a spin-polarized feature. These features can be detected by spin-polarized scanning tunneling microscopy experiments.     

Superconductivity and superfluidity as universal emergent phenomena

Superconductivity (SC) or superfluidity (SF) is observed across a remarkably broad range of fermionic systems: in BCS, cuprate, iron-based, organic, and heavy-fermion superconductors, and in superfluid helium-3 in condensed matter; in a variety of SC/SF phenomena in low-energy nuclear physics; in ultracold, trapped atomic gases; and in various exotic possibilities in neutron stars. The range of physical conditions and differences in microscopic physics defy all attempts to unify this behavior in any conventional picture. Here we propose a unification through the shared symmetry properties of the emergent condensed states, with microscopic differences absorbed into parameters. This, in turn, forces a rethinking of specific occurrences of SC/SF such as high-T_c SC in cuprates, which becomes far less mysterious when seen as part of a continuum of behavior shared by a variety of other systems.