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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

5d电子掺杂的SmFe_(1-x)Ir_xAsO铁基超导体的合成及物性

通过在SmFeAsO中Fe位上掺入5d过渡金属Ir,得到了一种新的铁基超导体SmFe1-xIrxAsO,当x=0.05时,样品表现出超导电性,超导转变温度为8K,当x=0.15时,超导转变温度达到最大值17.3K.X射线衍射结果表明所有样品均属四方ZrCuSiAs-type结构,SEM结果表明SmFe1-xIrxAsO样品具有片层状形貌特征.随着Ir掺杂量的增大,晶格参数a增大而c减小,结合EDX数据,表明Ir掺入了SmFeAsO晶格当中.     

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200 K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。     

电工所率先研制出新型铁基超导体线材

在科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持下,中科院电工所应用超导重点实验室马衍伟研究小组采用传统的粉末装管方法,首次成功研制出转变温度达25K的铁基镧氧铁砷线材．这是世界上第一个将铁基超导材料加工成超导线材的工作,对于强电应用具有重要意义．     

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.     

Spin fluctuations and unconventional superconducting pairing in iron-based superconductors

In this article, we review the recent theoretical works on the spin fluctuations and superconductivity in iron-based superconductors. Using the fluctuation exchange approximation and multi-orbital tight-binding models, we study the char- acteristics of the spin fluctuations and the symmetries of the superconducting gaps for different iron-based superconductors. We explore the systems with both electron-like and hole-like Fermi surfaces （FS） and the systems with only the electron-like FS. We argue that the spin-fluctuation theories are successful in explaining at least the essential part of the problems, indicating that the spin fluctuation is the common origin of superconductivity in iron-based superconductors.     

Hybrid crystals of cuprates and iron-based superconductors

We propose two possible new compounds, Ba_2CuO_2Fe_2As_2and K_2CuO_2Fe_2Se_2, which hybridize the building blocks of two high temperature superconductors, cuprates and iron-based superconductors. These compounds consist of square CuO_2 layers and antifluorite-type Fe_2X_2(X = As, Se) layers separated by Ba/K. The calculations of binding energies and phonon spectra indicate that they are dynamically stable, which ensures that they may be experimentally synthesized. The Fermi surfaces and electronic structures of the two compounds inherit the characteristics of both cuprates and iron-based superconductors. These compounds can be superconductors with intriguing physical properties to help to determine the pairing mechanisms of high Tc superconductivity.     

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.     

Crystal chemistry and structural design of iron-based superconductors

The second class of high-temperature superconductors （HTSCs）, iron-based pnictides and chalcogenides, necessarily contain Fe2X2 （＂X＂ refers to a pnictogen or a chalcogen element） layers, just like the first class of HTSCs which possess the essential CuO2 sheets. So far, dozens of iron-based HTSCs, classified into nine groups, have been discovered. In this article, the crystal-chemistry aspects of the known iron-based superconductors are reviewed and summarized by employing ＂hard and soft acids and bases （HSAB）＂ concept. Based on these understandings, we propose an alternative route to exploring new iron-based superconductors via rational structural design.     

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.     

Thermal fluctuation conductivity and dimensionality in iron-based superconductors

The time-dependent Ginzburg–Landau Lawrence–Doniach model is used to investigate the superconducting fluctuation electrical conductivities.The theoretical result based on the self-consistent Gaussian approximation is used to fit the transport measurement data of iron-based superconductors F-doped La OFe As and Ba Fe_(2-x)Ni_xAs_2.We demonstrate that La OFe As shows layered behavior,while Ba Fe_(2-x)Ni_xAs_2 is more of a 3D feature.The conductivity in the region near Tc is well described by the theoretical formula.     

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.