物理所最佳摻雜鐵基超導體中子散射研究取得新進展

　　高溫超導機理一直是凝聚態物理領域前沿難題之一。作為繼銅氧化物超導體之后的第二個高溫超導家族，2008年發現的鐵基超導體也是通過在三維反鐵磁母體中摻雜電子或空穴載流子來抑制反鐵磁長程序而獲得超導態。目前的研究普遍認為，自旋漲落在兩者的超導電子配對過程中均扮演著重要角色，特征之一表現為在超導樣品的磁激發譜中，兩者均存在類似超導序參量的自旋共振現象，即某個特征能量附近的磁激發強度在超導態下會被共振增強。此外，兩個高溫超導家族有著許多共性，同時又存在不少差異。因此，研究鐵基超導體的反鐵磁自旋激發行為并通過與銅氧化物的對比有助于我們理解高溫超導電性。中子散射可以直接探測材料中的自旋序和自旋激發，通過表征材料中自旋動力學的各種特性，可以清晰認識自旋激發與超導電性之間的關系，是高溫超導機理研究的重要手段。

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)超導國家重點實驗室戴鵬程研究組在鐵基超導中子散射研究中取得新進展，特別針對電子型最佳摻雜的BaFe1.9Ni0.1As2和空穴型最佳摻雜的Ba0.67K0.33Fe2As2鐵基超導體在不同能量尺度下的自旋激發進行了詳細的研究，并對比研究了母體BaFe2As2的自旋波譜，獲得了對“122”型鐵基超導體自旋激發譜比較全面的認識。

　　鐵基超導單晶樣品的中子散射尤其是非彈性中子散射需要許多大塊(尺寸在厘米量級，質量在克量級)的高質量樣品，戴鵬程研究組的羅會仟助理研究員和研究生魯興業、陳艷超、王猛等人克服各種困難，大量生長了適合于非彈性中子散射實驗的系列電子型摻雜BaFe2-xNixAs2單晶樣品。樣品表征說明它們在厘米尺度下仍然具有很好的結晶性和均勻的超導電性【Yanchao Chen et.al., Supercond. Sci. Technol. 24, 065004 (2011)】。利用這些優質樣品，戴鵬程研究組的李世亮研究員、羅會仟助理研究員和博士生魯興業、王猛等人聯合美國田納西大學的博士生王渺寅、 Leland Harriger、劉夢舒等人廣泛開展了中子散射系列性研究。他們發現，與銅氧化物不同，在欠摻雜BaFe1.925Ni0.075As2和過摻雜BaFe1.85Ni0.15As2單晶中，反鐵磁自旋激發具有三維調制性，自旋共振能量在整個超導區間同樣具有三維特性;與銅氧化物類似，自旋共振能量和超導臨界溫度Tc之間也存在良好的線性關系【Miaoyin Wang et.al., Phys.Rev.B 81, 174524 (2010)】。他們進一步研究了磁場下自旋共振模的行為，隨著磁場對超導的抑制，自旋共振模強度將削弱，但實驗上并未觀測到理論預言的自旋為1的塞曼三重分裂【Shiliang Li et.al.，Phys. Rev. B, 84, 024518 (2011)】。他們還仔細研究了母體材料的高能自旋激發，發現盡管低溫下BaFe2As2和CaFe2As2的反鐵磁自旋波各向異性阻尼不同，但它們同樣具有平面內各向異性的最近鄰磁交換能和強度相近的次近鄰磁交換能，暗示超導電性的形成可能與次近鄰磁交換機制有關【Jun Zhao et.al., Nature Physics 5, 555(2009)】。另外，BaFe2As2自旋激發的各向異性在高溫下的四方相仍然維持不變，和其他觀測手段的結果結合，共同說明向列型電子相可能是軌道和自旋各向異性的起源【L. W. Harriger et.al., Phys. Rev. B 84, 054544 (2011)】。為了進一步研究自旋激發譜在超導樣品中的行為，他們在電子型最佳摻雜的BaFe1.9Ni0.1As2單晶(Tc=20K，總質量28克)上同樣采用飛行時間譜儀開展了非彈性中子散射研究。通過和母體BaFe2As2對比，他們發現盡管低能自旋激發在最佳摻雜樣品中和母體不同，但兩者高能自旋激發行為完全類似，并具有相同的總自旋漲落強度。該研究結果還同時表明，鐵基超導體和銅氧化物材料母體一樣，存在類似強度的自旋漲落，它們主要起源于局域電子之間的強關聯效應，并影響了各向異性的低能準粒子和超導電子對的形成。但是，它們的電荷關聯效應微觀起源并不相同，銅氧化合物母體為電荷轉移型莫特絕緣體，而鐵基超導體中的電荷關聯則主要是由洪德(Hund)耦合造成的。該研究成果發表在Nature Physics上(Mengshu Liu et.al., Nature Physics, DOI:10.1038/NPHYS2268)。

　　和電子型摻雜的BaFe2-xNixAs2相比，空穴型摻雜的Ba1-xKxFe2As2單晶具有更高的Tc(38K)，但是該體系的大塊均勻單晶樣品非常難生長，一直以來都缺乏單晶的中子散射研究結果。戴鵬程研究組的博士生王猛和美國田納西大學的博士后張承林經過不懈努力，終于獲得了近20克高質量單晶樣品，并首次在最佳摻雜的Ba0.67K0.33Fe2As2單晶上開展了非彈性中子散射實驗。該實驗確認了以前粉末樣品中子散射實驗觀測到的，在15meV附近的自旋共振模確實在反鐵磁波矢上，同時發現空穴型摻雜鐵基超導體低能反鐵磁激發在ab平面內的各向異性和電子型摻雜樣品相比較旋轉了90度，即沿著徑向伸長而非橫向伸長。理論計算表明，這是由于電子型摻雜和空穴型摻雜對費米面產生不同的影響，導致嵌套結果不同。而且自旋共振能量的三維特征要小，但自旋能隙具有更強的三維性，這意味著空穴型材料中超導能隙在c方向存在強烈調制。有趣的是，平面內的反鐵磁激發譜形狀在不同能量尺度和溫度下存在多種變化，說明自旋-自旋關聯長度在超導態和自旋共振的形成過程中也發生了演變。該研究成果發表在Scientific Reports上【Chenglin Zhang, Meng Wang et.al., Scientific Reports 1, 115 (2011)】。

　　物理所向濤研究員、胡江平研究員以及美國橡樹嶺國家實驗室T. A. Maier，美國羅格斯大學Hyowon Park, Kristjan Haule, Gabriel Kotliar等參與了上述研究工作。這些研究得到了中國科學院、國家自然科學基金委員會和科技部相關項目的支持。