压力下碱金属铁硒基超导体中的现象与物理

在凝聚态物理研究中, 压力作为对物质状态调控的独立变量得到了广泛的应用. 压力对发现物质的新现象、新规律及对其形成机理的理解和对相关理论的验证起到了重要的作用, 尤其在超导电性的研究中取得了巨大的成功. 文章简要的介绍了通过利用压力手段对具有相分离结构的碱金属铁硒基超导体A_xFe_2-ySe₂ (A=K, Rb, Tl/Rb)开展的系列研究所取得的实验结果, 以及其他一些文献中报道的在此方面的主要实验与理论研究工作, 包括压力导致的超导再进入现象和其产生的量子临界机理、其特有的反铁磁绝缘体相在该类超导体实现超导电性中的作用、化学负压力对超导电性的影响、构成该类超导体的反铁磁序与其寄居的超晶格的关系等.     

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。     

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。     

铁基铁磁超导体

超导电性与铁磁长程序是两个“敌对”的物质状态。长期以来,探索超导与铁磁共存是十分耐人寻味的课题。文章在回顾半个多世纪以来该课题主要进展的基础上,重点介绍了作者近年来对新型铁基铁磁超导体的发现和发展,最后对这类新材料的进一步研究进行了展望。     

铁基铁磁超导体

超导电性与铁磁长程序是两个"敌对"的物质状态。长期以来,探索超导与铁磁共存是十分耐人寻味的课题。文章在回顾半个多世纪以来该课题主要进展的基础上,重点介绍了作者近年来对新型铁基铁磁超导体的发现和发展,最后对这类新材料的进一步研究进行了展望。     

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.     

铁基高温超导体研究进展

最近,由于在铁基Ln(O,F)FeAs化合物及其相关化合物中发现具有高于40K的超导电性,层状的铁基化合物引起了凝聚态物理学界很大的兴趣和关注.在随后的研究中发现,在该类材料中最高超导临界温度可达到55K.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了新的一类材料.文章主要介绍了作者所在组在新型铁基超导体方面的最新研究进展,包括：（1）铁基超导材料探索研究;（2）铁基超导体的单晶制备及物性研究;（3）铁基超导体的电子相图及自旋密度波（SDW）和超导共存研究;(4）同位素交换对超导转变和SDW转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.     

铁基高温超导体研究进展

(4)同位素交换对超导转变和SDW转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.     

层状铁基超导体的Ginzburg-Landau方程（英文）

基于铁基超导体的多带能隙特征,采用两带模型,假设带内电子配对为各项同性,带间电子配对序参量为coskxcosky形式.利用Gro′kov理论,推导了层状铁基超导体的二维Ginzburg-Landau方程,并给出了自由能密度和垂直于二维载流子运动平面的上临界场表达式.计算表明,上临界场在转变温度附近随温度变化的曲线呈对数形,该特征与最近的一些实验结果相符合,并且与三维体系的上临界场有显著不同,这一特点是由系统的准二维特征所决定.     

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.     

Microstructure and structural phase transitions in iron-based superconductors

Crystal structures and microstructural features, such as structural phase transitions, defect structures, and chemical and structural inhomogeneities, are known to have profound effects on the physical properties of superconducting materials. Recently, many studies on the structural properties of Fe-based high-Tc superconductors have been published. This review article will mainly focus on the typical microstructural features in samples that have been well characterized by physical measurements. （i） Certain common structural features are discussed, in particular, the crystal structural features for different superconducting families, the local structural distortions in the Fe2Pn2 （Pn = P, As, Sb） or FeeCh2 （Ch = S, Se, Te） blocks, and the structural transformations in the 122 system. （ii） In FeTe（Se） （11 family）, the superconductivity, chemical and structural inhomogeneities are investigated and discussed in correlation with superconductivity. （iii） In the Ko.sFe1.6＋xSe2 system, we focus on the typical compounds with emphasis on the Fe-vacancy order and phase separations. The microstructural features in other superconducting materials are also briefly discussed.     

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.     

铁基超导体的微结构和结构相变研究

铁基超导体表现出丰富的结构和物理性质,在多个典型体系中存在着结构相变和多重有序态之间的关联与竞争. 例如,母相化合物LaFeAsO在150K附近发生从四方相(P4/nmm)到正交相(Cmma)的结构相变,同时其电输运性质和磁化率也表现出明显的反常行为. 微结构分析发现,在CaFe2As2 样品中,存在准周期调制结构,而且在低温区,122体系存在丰富的孪晶畴结构,这种孪晶结构是结构相变的直接结果. 另外,在超导材料KxFe2-ySe2 （0.7≤x≤0.8, 0.2≤y≤0.4）中,Fe空位有序态和结构相分离是理解其结构,也是理解其磁性和输运性质的关键问题,特别是沿［130］晶体带轴方向的5倍超结构与系统的超导电性存在密切关系.     

铁基超导体的微结构和结构相变研究

铁基超导体表现出丰富的结构和物理性质,在多个典型体系中存在着结构相变和多重有序态之间的关联与竞争.例如,母相化合物LaFeAsO在150K附近发生从四方相（P4/nmm）到正交相（Cmma）的结构相变,同时其电输运性质和磁化率也表现出明显的反常行为.微结构分析发现,在CaFe2As2样品中,存在准周期调制结构,而且在低温区,122体系存在丰富的孪晶畴结构,这种孪晶结构是结构相变的直接结果.另外,在超导材料KxFe2-ySe2（0.7≤x≤0.8,0.2≤y≤0.4）中,Fe空位有序态和结构相分离是理解其结构,也是理解其磁性和输运性质的关键问题,特别是沿[130]晶体带轴方向的5倍超结构与系统的超导电性存在密切关系.     

Universal behavior of the upper critical field in iron-based superconductors

The newly discovered iron-based high temperature superconductors have demonstrated rich physical properties. Here we give a brief review on the recent studies of the upper critical field and its anisotropy in a few typical series of the iron-based superconductors (FeSCs). In spite of their characters of a layered crystal structure, all the FeSCs possess an extremely large upper critical field and a weak anisotropy of superconductivity, being unique among the layered superconductors. These particular properties indicate potential applications of the FeSCs in the future. Based on the experimental facts of the FeSCs, we will discuss the possible mechanisms of pair breaking in high magnetic fields and its restrictions on the theoretical analysis of the superconducting pairing mechanisms.     

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.     

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.     

铁基超导体中的长程反铁磁序

文章回顾了用中子散射技术对铁基超导体中所存在的三维长程反铁磁序进行研究的进展. 大多数铁基超导体母体的晶体结构在温度降低时都经历了从四方相变化到正交相或单斜相的结构相变. 在此相变温度之下,自旋系统也从顺磁变化到三维长程反铁磁. 在掺杂之后,结构相变和磁相变都被压制,而超导则最终出现. 文章详细介绍了各种母体中的三维反铁磁结构及其自旋波频谱,并讨论了掺杂对反铁磁相变和晶格相变的影响.