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.     

重费米子超导与竞争序

与其他非常规超导系列相比, 重费米子超导体往往具有丰富多样的竞争序, 超导与各种竞争序相伴而生, 电子配对与反铁磁涨落、铁磁涨落、价态涨落、电四极矩涨落等量子临界涨落密切相关, 扩充了非常规超导的研究内容. 重费米子材料中的f电子往往同时参与超导与各种竞争序的形成, 表现出局域与巡游的二重性. 重费米子二流体理论为理解重费米子超导与竞争序的关系提供了新的思路.     

LiFeAs超导体中磁性与声子软化

运用第一性原理密度泛函理论研究了铁基超导体LiFeAs的电子结构和声子谱.计算得到的LiFeAs基态具有涨落的条型反铁磁构型.通过比较LiFeAs在非磁态与条形反铁磁态下的声子态密度,发现,LiFeAs中各向异性自旋互作用的竞争产生了不稳定的自旋密度波和部分晶格位置弛豫,导致Fe和As原子振动模式的软化,从而提高电声子耦合强度.因此,自旋-声子互作用对非常规超导电性有重要贡献. 关键词： 铁基超导体 反铁磁序 超导电性 电声子耦合     

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。     

CrAs——第一个Cr基化合物超导体的发现

非常规超导体自发现以来便引起了凝聚态物理学家的广泛兴趣,诸如重费米子超导体,铜基高温超导体和铁基高温超导体等。这类超导体的一个基本特征是,当长程反铁磁序被抑制时会出现超导现象。而要破坏长程磁有序,除了掺杂不同元素以引入电荷载流子或者化学压力外,物理加压也是一种有效的调控手段。文章将介绍第一个Cr基化合物超导体——CrAs单晶通过物理加压首次实现超导电性的过程。当压力为8 kbar时,超导临界温度出现在2K,这时发生在常压下265 K的一级反铁磁相变被完全压制。在CrAs体系中,超导与反铁磁序之间的竞争关系说明CrAs是非常规超导体。CrAs的超导也为发现新型超导体打开了一扇大门。     

强关联电子系统超导电性的高压研究

具有强关联电子特性的凝聚态系统中,电子间的强关联性主导系统的宏观量子特性。这类系统具有电荷、自旋、轨道、晶格及拓扑等多重自由度,这些自由度强烈耦合,产生复杂的多体相互作用,导致系统出现丰富奇异的量子现象,如非常规超导电性、庞磁电阻、金属-绝缘体转变、拓扑量子相变等。其中,非常规超导体的研究于近几十年取得了不少进展,例如发现了铜氧化物高温超导电性和铁基超导体,然而导致非常规超导电性的原因,尤其是对高温超导电性的机理认识目前尚不清楚,非常规超导机理一直是凝聚态物理研究领域中最具挑战性的问题之一。为此,简要介绍了近年来我们通过高压实验手段在重费米子超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体这3类主要的非常规超导体研究中取得的进展、发现的新现象以及反映的新物理机理,包括磁性和超导电性的演化关系、价态变化对超导电性的影响、铜氧化物的普适压力相图等,旨在提供非常规超导体在高压研究方面的一些实验新进展,以期为更好地理解非常规超导的微观机理提供压力维度下的一些信息。     

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.     

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.     

超导与自旋涨落

在常规超导体中,库珀对是由于电子与声子之间的相互作用而形成的.在此过程中,人们可以只考虑电子的电荷性质与声子之间的关联.然而在所谓的非常规超导体中,人们意识到一些其他类型的元激发也可能导致超导现象,而自旋涨落则可能是其中最重要的一种.在大多数非常规超导体中,都可以发现自旋涨落的身影.而在一些重要的体系中,包括铜基超导体、铁基超导体以及一些重费米子超导体体系等,可以确切地说,自旋涨落起到了关键的作用,尽管其相对应的超导机制仍然还不清楚.文章简单介绍了自旋涨落与超导电性之间的关联.     

Nonlinear uniaxial pressure dependence of the resistivity in Sr_(1-x)Ba_xFe_(1.97)Ni_(0.03)As_2

Nematic order and its fluctuations have been widely found in iron-based superconductors. Above the nematic order transition temperature, the resistivity shows a linear relationship with the uniaxial pressure or strain along the nematic direction and the normalized slope is thought to be associated with nematic susceptibility. Here we systematically studied the uniaxial pressure dependence of the resistivity in Sr_(1-x)Ba_xFe_(1.97)Ni_(0.03)As_2, where nonlinear behaviors are observed near the nematic transition temperature. We show that it can be well explained by the Landau theory for the second-order phase transitions considering that the external field is not zero. The effect of the coupling between the isotropic and nematic channels is shown to be negligible. Moreover, our results suggest that the nature of the magnetic and nematic transitions in Sr_(1-x)Ba_xFe_2As_2 is determined by the strength of the magnetic-elastic coupling.     

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 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.     

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.     

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.     

LaO1-xFxBiS2 层状材料超导电性研究

层状材料一直是超导研究领域的热点材料, 陆续有数十种新型的层状超导材料被不断发现, 从至今为止超导转变温度最高的铜氧化物材料, 到铁基超导, 再到诸多新型的层状材料, 学者们关于超导微观机制的理解也在随之更新, 从取得成功的 Bardeen-Cooper-Schrieffer 经典理论到至今无法解释的非常规超导机制, 研究之路从未停止. 本文将研究利用助熔剂法合成的 LaO1 -xFxBiS2 材料的结构、 电阻、 磁化率等性质, 并与国际社会上已存在的研究成果进行对比, 同时从晶体结构、 压力效应、 体超导电性、 临界温度、 微观机制五个方面, 对近年发现的镧系铋硫基层状超导材料的研究情况进行讨论.     

Structural and superconducting properties of LaFeAs_(1-x)Sb_xO_(1-y)F_y

We report the antimony(Sb) doping effect in a prototype system of iron-based superconductors LaFeAsO1-yFy(y=0,0.1,0.15).X-ray powder diffraction indicates that the lattice parameters increase with Sb content within the doping limit.Rietveld structural refinements show that,with the partial substitution of Sb for As,the thickness of the Fe2As2 layers increases significantly,whereas that of the La2O2 layers shrinks simultaneously.So a negative chemical pressure is indeed "applied" to the superconducting-active Fe2As2 layers,in contrast to the effect of positive chemical pressure by the phosphorus doping.Electrical resistance and magnetic susceptibility measurements indicate that,while the Sb doping hardly influences the SDW anomaly in LaFeAsO,it recovers SDW order for the optimally-doped sample of y=0.1.In the meantime,the superconducting transition temperature can be raised up to 30 K in LaFeAs1-xSbxO1-yFy with x=0.1 and y=0.15.The Sb doping effects are discussed in term of both J1-J2 model and Fermi Surface(FS) nesting scenario.     

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.