物理所铁基超导体物性研究取得新进展

铁基超导体是目前超导和强关联电子系统研究领域关注的热点之一。中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室王楠林研究组继续在这一领域开展深入研究。《自然》、《美国物理评论快报》均发表了他们的研究成果。

    铁基超导体目前已经发现有多个不同的结构体系，典型的代表体系包括ReFeAsO (Re=La和稀土元素)(1111体系)、AFe2As2(A＝Ba, Sr, Ca, Eu等)(122体系)、LiFeAs或NaFeAs (111体系)、Fe(Te,Se) (11体系)等。前三个均是FeAs四面体为基本单元形成的超导体系，最后一个则不含As元素，是由FeTe或FeSe四面体构成基本结构单元。在已经知道的1111和122体系，其没有掺杂的母体均会发生结构相变和反铁磁自旋密度波(SDW)相变，取决于层间耦合的强弱，结构相变和磁相变可同时发生(如122)也可先后发生(如1111)。虽然第一性原理计算表明111体系与1111和122体系的电子结构极为类似，但先前在没有掺杂的111体系多晶样品开展的实验研究从未发现结构或磁相变，使得FeAs为基的母体是否一定具有SDW基态成为疑问。

    该组陈根富研究员率先在111体系生长出接近化学计量的单晶样品，通过输运和热力学测量发现存在多个相变，包括52K和41K会发生两个相变，23K以下体系进入超导态。他们的研究表明，52K和41K发生的两个相变应分别对应于结构和SDW相变，而很低的超导成分则是由于样品偏离化学计量的掺杂引起【Phys. Rev. Lett. 102, 227004 (2009)】。他们随即与戴鹏程领导的中子散射组合作，证实了52K和41K分别发生结构和磁相变，实验定出的SDW态磁结构与1111或122体系相同【Phys. Rev. B, Rapid Communications, in-press (2009)】。

    不含As的11结构体系则十分特别，虽然计算表明其能带结构与FeAs为基的其它体系完全类似，但中子散射实验却发现其低温下磁有序相的反铁磁波矢是在(π，0)，而不是连接电子和空穴费米面的波矢(π，π)。这使得费米面叠套驱动的SDW图像对该体系很难适用。陈根富等人生长了该体系的FeTe母体和Se掺杂的超导单晶样品，通过多种实验手段揭示母体的性质与FeAs为基的母体有很大不同，高温下几乎没有自由电子的Drude响应，反映出准粒子寿命很短，电子输运是非相干的，而低温的磁有序态电荷激发谱上并没有能隙打开，这与不是费米面叠套驱动的SDW相一致。实验表明该体系中额外Fe离子导致很强的杂质散射效应。该工作发表在Phys.Rev.B 79,140509(Rapid Communications)(2009)。该组随即与Princeton大学的Hasan教授小组合作，用角分辨光电子能谱对其电子结构进行细致研究，同样没有发现能隙打开，实验还直接揭示不存在与反铁磁波矢(π，0)相对应的明显费米面叠套效应【Phys. Rev. Lett. 103, in-press (2009)】。上述工作表明11体系FeTe的反铁磁有序与FeAs体系有较大不同，局域磁矩的交换作用对其量子磁性扮演了更重要角色。

    此外，该组还和浙江大学的袁辉球教授合作研究了FeAs超导体(Ba,K)Fe2As2磁场下的行为，发现低温下上临界磁场的各项异性倾向消失，呈现较强三维特性【Nature 457, 565 (2009)】。与Columbia大学Uemura教授小组合作用muSR研究了1111结构体系磁有序随组分的变化，以及超流电子浓度和Tc之间的关系【Phys. Rev. Lett. 102, 087001 (2009)】。

    上述研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和科技部相关项目的资助。