自2008年被發現以來, 已有至少20種不同結構鐵砷化物或鐵硒化物被證實存在超導電性, 它們統稱為鐵基超導體. 由於鐵基超導體同樣可以突破BCS強耦合理論預言的40K的麥克米蘭極限, 它和銅氧化物超導體一起被列入高溫超導家族, 其超導微觀機理問題至今仍是凝聚態物理前沿領域皇冠上的明珠.
經過多年研究, 人們普遍認為, 銅氧化物高溫超導電性均可視作對反鐵磁莫特絕緣體的母體進行摻雜而獲得, 從而存在一個統一描述的相圖. 對鐵基超導體而言, 其所謂 '母體' 具有反鐵磁性, 卻表現出金屬導電性(具有一定濃度的載流子), 通過對母體摻雜電子, 空穴甚至同價摻雜都可以誘導出超導電性. 更令人難以理解的是, 相當一部分未摻雜的鐵基超導 '母體' 本身甚至具有超導電性, 進一步摻雜反而可能抑制超導. 不同體系的鐵基超導體, 具有千奇百怪的電子態相圖, 單純用摻雜濃度作為變數, 已不足以準確描述其物理行為. 因此, 尋找描述鐵基超導體物理性質的統一變數, 以及嚴格物理意義上的母體, 成為鐵基超導機理研究重點之一.
近日, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)SC8研究組通過測量單軸壓力下的電阻行為, 對大量鐵基樣品母體和摻雜樣品的向列相漲落性質進行了詳細研究, 發現反鐵磁有序磁矩反比於向列居裡常數. 這暗示鐵基超導體的磁基態可以通過調節向列漲落的強度獲得. 由此可以建立一個統一的鐵基超導體相圖, 其中超導誕生於某一假設理想母體, 該母體具有很大的有序磁矩及較弱的向列漲落.
仔細觀察不同體系鐵基超導體摻雜相圖, 可以發現其中反鐵磁有序, 超導電性和電子向列相三者是最顯著的特徵 (圖1). 電子向列相指的是, 系統中呈現出打破晶格固有的旋轉對稱性的電子態, 在鐵基超導體中表現為晶體ab面內二重對稱的電子態性質. 尋找反鐵磁, 超導和向列相三者之間的具體關係, 是理解鐵基超導微觀機理的關鍵. 儘管在某些鐵基超導體中並不存在反鐵磁序, 但電子向列相或向列漲落總是存在的. 研究組基於獨立設計搭建的一套基於壓電陶瓷片的單軸壓力電測量裝置, 實現了對電子向列型漲落進行非常精密的測量, 並首次揭示了向列型量子臨界點與鐵基超導電性的密切聯繫. 通過更廣泛地測量1111, 122, 11, 111, 112等多個鐵基超導體的系列樣品, 他們發現對存在二級結構相變的樣品, 或最佳摻雜的樣品, 其向列相磁化率溫度依賴行為皆可用居裡-外斯定律來描述 (圖2). 由此, 可以定義一個居裡常數An, 用於描述向列相漲落強度. 該居裡常數絕對值的倒數|An|-1, 和鐵基超導體的靜態有效磁矩M, 成一個非常簡單的線性標度關係, 即: 向列漲落越強, 其反鐵磁性就越弱. 這是實驗上首次將反鐵磁有序磁矩大小與另一物理量相聯繫. 當反鐵磁和向列相消失時, 會形成一個量子臨界點, 正好對應最佳摻雜超導電性 (圖3). 由此, 可以從物理上定義一個嚴格意義的鐵基超導母體(HPC), 它具有很大的有序磁矩及極弱的向列漲落. 通過增強向列漲落, 可以抑制其反鐵磁性並最終獲得高溫超導電性 (圖4). 該統一電子態相圖的建立, 為理解不同鐵基超導體系中複雜的摻雜物理行為開啟了嶄新的視角, 對鐵基超導微觀機理研究具有重要啟示. 需要指出的是, 這一相圖可能仍無法解釋一些特殊的鐵基超導體材料, 如LiFeAs, '1111' 體系中第二個超導區域, 加壓下FeSe相圖, 以及不超導的Cu, Cr, Mn摻雜體系等. 這一工作發表在Physical Review Letters上.
該系列研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項(B類), 中科院青促會, 國家重點基礎研究發展計劃 (973計劃) , 國家重點研發計劃, 國家自然科學基金, 國家青年千人計劃等的支援.
圖1.鐵基超導體的常規摻雜相圖
圖2.不同體系鐵基超導體向列相磁化率的居裡-外斯溫度依賴行為
圖3.不同體系鐵基超導體的向列相居裡常數與反鐵磁磁矩的標度關係
圖4.以向列相居裡常數為參量構建的鐵基超導體統一相圖
