新型FeSe基超导材料研究进展

FeSe基超导体作为铁基超导材料家族的重要组成部分，已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域，对这类超导材料的探索和制备是研究其物理性质的基础.目前，对于FeSe基超导材料的探索主要集中于插层和外延单层FeSe薄膜.其中，通过插层方法获得的FeSe基超导材料具有独特的性质，且种类众多.本文介绍了近年来发现的一系列FeSe基高温超导材料，涵盖K_xFe₂Se₂，A_xNH₃FeSe，LiOHFeSe和有机分子插层FeSe等，并针对各种材料，简述了其性质及影响.     

铁硒基超导材料实用化研究进展

由于铁基超导体含有铁磁性元素以及具有极高的上临界场等特性, 引发了科学家对其理论和实用化研究的热潮. 铁基超导体主要分为四个体系: “1111”体系、 “122”体系、 “111 ”体系和“11 ”体系. 其中, “11 ”体系中的 FeSe基超导材料由于结构简单、 单晶制备容易以及不含有毒元素等优势, 使其成为了研究铁基超导材料的热门体系, 同时也成为了新型实用化超导材料的研究热点. 本文在简要介绍铁基超导材料和 FeSe 基超导材料的基础上, 重点介绍了实用化 FeSe 基超导材料多晶块体、 线带材以及薄膜在制备工艺以及性能等方面的研究进展, 最后对其相关领域今后的发展做出展望     

FeSe基超导单晶与薄膜研究新进展:自旋向列序、电子相分离及高临界参数

FeSe基超导体的超导临界温度可大范围调控，物理现象丰富，是非常规超导机理研究的热点.由于较高的超导临界参数及易于加工等特点，FeSe基超导体在超导应用开发方面也日益受到重视.大尺寸高质量的单晶和薄膜形态的FeSe基超导材料，对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.作者近年来先后开发和发明了水热离子交换（ion-exchange）、离子脱插（ion-deintercalation）、基底辅助水热外延生长方法，成功解决了二元FeSe和插层（Li，Fe）OHFeSe超导体高质量单晶和薄膜的生长和物性调控难题.进而在相关物理问题的研究中取得新进展，包括发现二元FeSe中自旋向列序与超导电性密切相关，观测到（Li，Fe）OHFeSe中的电子相分离现象.此外，（Li，Fe）OHFeSe超导薄膜呈现很高的超导临界电流密度和上临界磁场，其应用前景值得关注.     

新型交生结构自掺杂铁基超导体

铁基高温超导体的基本结构单元是反萤石型Fe₂X₂层（X为磷族或硫族元素），因此，设计具有Fe₂X₂层的新化合物成为探索铁基超导材料的有效途径.本文在回顾铁基超导体结构特征和基本结构类型的基础上，归纳总结了铁基超导体块层结构设计的基本原则；着重介绍迄今发现的几类具有层状交生（intergrowth）结构的新型自掺杂铁基超导材料.     

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.     

新型铁基超导体材料的研究进展

文章主要介绍了碱金属插层法合成新型铁基超导体的研究进展.通过采用碱金属K对FeSe层状材料插层的方法,得到了一种新型的铁基超导体K0.8Fe1.7Se2,并对该材料的晶体结构与物性进行了研究.结果表明,该化合物的超导转变温度达到30K,这是FeSe体系在常压下的最高超导转变温度.同时,观察到该体系中存在转变温度为43K的超导相,但未得到纯相.通过磁性元素Co的掺杂研究,进一步加深了对K0.8Fe1.7Se2体系超导演化规律的认识.该超导体的发现对深入认识铁基超导体的超导机理,探索具有更高超导转变温度的铁基超导体具有重要意义.     

122型铁基超导线带材实用化研究进展

在种类众多的新型铁基超导材料中，122型铁基超导体具有高转变温度、超高上临界场、低各向异性、高临界电流密度等优点，因此成为高场应用领域最具竞争力的铁基超导材料.目前122型铁基超导线带材在4.2 K，10 T下的传输临界电流密度已经超过10⁵A/cm²这一实用化门槛值，表现出十分广阔的应用前景.本文回顾了新型铁基超导体的发现及发展历程，结合122型铁基超导体的自身特点，就如何制备高性能122型铁基超导线带材展开讨论，同时对粉末装管法制备流程中影响线带材性能的几大关键因素进行了详细分析.重点介绍了近年来122型铁基超导线带材的实用化研究进展，包括高强度线带材的制备、圆线的研制、多芯线材及长线的制备、超导接头的研究、力学性能及各向异性的研究等.对122型铁基超导线带材实用化研究进行了总结，并对其未来的发展趋势进行了展望.     

高压下的铁基超导体:现象与物理

始于2008年的铁基超导体研究续写了高温超导发展史的新篇章.回顾过去十年对铁基超导体的研究，在理论、实验及应用方面都取得了辉煌的成绩，丰富了人们对高温超导电性的认识，为突破高温超导机理研究、最终实现超导材料的人工设计与更广泛的应用奠定了坚实的基础.本文主要介绍了通过高压实验研究手段在铁基超导体的研究中取得的一些重要进展及呈现出的新现象和新物理，例如压致超导现象、压力导致的超导再进入现象、压力对超导转变温度的提升效应、压力研究对铁基超导体超导转变温度的预测、相分离结构对超导电性的影响及反铁磁-超导双临界点的发现等.希望这些高压研究结果与本文报道的其他各类实验与理论研究成果一起，为全面、深入地理解铁基超导体勾画出一幅较为完整的物理图像.     

利用中子散射研究铁基超导体的磁结构

铁基超导材料的高温超导电性发生在反铁磁不稳定的区域,因此其母体的磁结构获得了广泛而深入的研究。文章简要综述了中子散射对铁基超导体磁结构的研究结果,主要按FeAs基和FeSe基两类材料进行介绍。另外,文章还介绍了掺杂导致超导时对一些体系的反铁磁序的影响。     

铁基超导体的量子临界行为

铁基超导体呈现丰富的电子相图, 各种有序态相互交叠. 本文主要介绍利用核磁共振手段在空穴型和电子型掺杂的BaFe₂As₂以及LaFeAsO_1-xF_x这三种具有代表性的铁基超导体中探测到的反铁磁序与超导序的微观共存、量子临界点和量子临界行为. 实验发现, 无论在空穴型还是电子型掺杂的铁基超导体中, 反铁磁相变温度都随着掺杂被抑制, 并最终在某个掺杂量降到零温而形成量子临界点. 在反铁磁转变温度之上存在结构相变, 其转变温度也随着掺杂而降低. 核磁共振谱证实结构相变也形成一个量子临界点. 本文介绍核磁共振及输运测量揭示的这两种量子临界点附近存在的量子临界行为, 共存态下奇异的超导性质等.     

Revealing the A_(1g)-type strain effect on superconductivity and nematicity in FeSe thin flake

The driving mechanism of nematicity and its twist with superconductivity in iron-based superconductors are still under debate.Recently,a dominant B_(1 g)-type strain effect on superconductivity is observed in underdoped iron-pnictides superconductors Ba(Fe_(1-x)Co_x)_2 As_2,suggesting a strong interplay between nematicity and superconductivity.Since the long-range spin order is absent in FeSe superconductor,whether a similar strain effect could be also observed or not is an interesting question.Here,by utilizing a flexible film as substrate,we successfully achieve a wide-range-strain tuning of FeSe thin flake,in which both the tensile and compressive strain could reach up to ～0.7%,and systematically study the strain effect on both superconducting and nematic transition(T_c and T_s) in the FeSe thin flake.Our results reveal a predominant A_(1 g)-type strain effect on T_c.Meanwhile,T_s exhibits a monotonic anti-correlation with T_c and the maximum T_c reaches to 12 K when T_s is strongly suppressed under the maximum compressive strain.Finally,in comparison with the results in the underdoped Ba(Fe_(1-x)Co_x)_2 As_2,the absence of B_(1 g)-type strain effect in FeSe further supports the role of stripe-type spin fluctuations on superconductivity.In addition,our work also supports that the orbital degree of freedom plays a key role to drive the nematic transition in FeSe.     

插层FeSe高温超导体的高压研究进展

通过对FeSe进行化学插层可以将其超导转变温度（T_c）从约8 K提高到40 K以上，实现高温超导电性.最近，我们对两种插层FeSe高温超导材料（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se和Li_0.36（NH₃）_yFe₂Se₂开展了高压调控研究，发现压力会首先抑制高温超导相（称为SC-I相），然后在临界压力P_c以上诱导出第二个高温超导相（称为SC-Ⅱ相），呈现出双拱形T-P超导相图.这两个体系的P_c分别约为5和2 GPa，两个体系SC-Ⅱ相的最高T_c分别可以达到约52和55 K，比相应SC-I相的初始T_c提高了10 K.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的正常态电输运性质分析表明，SC-I和SC-Ⅱ相的正常态分别具有费米液体和非费米液体行为，意味着这两个超导相可能存在显著差异.此外，还发现这两个体系的SC-Ⅱ相的T_c与霍尔系数倒数1/R_H（∝载流子浓度n_e）具有很好的线性依赖关系.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的高压X射线衍射测量排除了其在10 GPa以内发生结构相变的可能，因此P_c以上SC-Ⅱ相的出现和载流子浓度的增加很可能起源于压力导致的费米面重构.     

高质量FeSe单晶薄膜的制备及相关性能表征

在铁基超导体中，FeSe具有最简单的晶体结构和化学组成，而且其超导转变温度具有较大的调控空间，因此适合作为超导机理研究和应用的载体.高质量样品的研制是物性研究和器件应用的前提，本文系统地研究了利用激光脉冲沉积技术制备FeSe薄膜的工艺条件，在多种衬底上成功地制备出高质量的β-FeSe薄膜，并首次实现了超导临界转变温度从小于2 K到14 K的连续调控，这为FeSe超导机理研究提供了样品支持.为探究FeSe薄膜超导电性变化的起因，从β-FeSe超导电性与晶格常数c正相关出发，基于简单的费米面填充假设，第一性原理计算可以很好地解释晶格常数c的变化规律，但该假设并不能完全符合角分辨光电子能谱实验给出的电子结构演变过程.因此β-FeSe薄膜的超导电性、晶格结构和电子结构三者之间的关系还有待澄清，该问题的解决将为FeSe超导机理研究提供重要的线索，而上述系列高质量的β-FeSe薄膜样品恰好能为该问题的研究提供理想的载体.本文根据实验和已有的相关研究结果，详细介绍了FeSe薄膜的脉冲激光沉积制备及其优化，以期为后续的薄膜研究应用提供参考.     

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.     

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。     

Spin, charge, and orbital orderings in iron-based superconductors

In this article, we briefly review spin, charge, and orbital orderings in iron-based superconductors, as well as the multi-orbital models. The interplay of spin, charge, and orbital orderings is a key to understand the high temperature superconductivity. As an illustration, we use the two-orbital model to show the spin and charge orderings in iron-based superconductors based on the mean-field approximation in real space. The typical spin and charge orderings are shown by choosing appropriate parameters, which are in good agreement with experiments. We also show the effect of Fe vacancies, which can introduce the nematic phase and interesting magnetic ground states. The orbital ordering is also discussed in iron-based superconductors. It is found that disorder may play a role to produce the superconductivity.     

Superconductivity of the FeSe/SrTiO_3 Interface in View of BCS–BEC Crossover

In paired Fermi systems,strong many-body effects exhibit in the crossover regime between the Bardeen-CooperSchrieffer(BCS)and the Bose-Einstein condensation(BEC)limits.The concept of the BCS-BEC crossover,which is studied intensively in the research field of cold atoms,has been extended to condensed matters.Here by anal.yzing the typical superconductors within the BCS-BEC phase diagram,we find that FeSe-based superconductors are prone to shift their positions in the BCS-BEC crossover regime by charge doping or substrate substitution,since their Fermi energies and the superconducting gap sizes are comparable.Especiall.y at the interface of single-layer FeSe on SrTiO_3 substrate,the superconductivity is relocated closer to the crossover unitary than other doped FeSe-based materials,indicating that the pairing interaction is effectively modulated.We further show that hole-doping can drive the interfacial system into the phase with possible pre-paired electrons,demonstrating its flexible tunability within the BCS-BEC crossover regime.