物理所“111”型鐵基超導體高壓相變研究取得系列進展

　　2008年，日本Hosono研究組發現了Tc=26K的LaFeAs(O,F)超導體，從而掀起了新一輪全球超導研究的熱潮。中國科學家研究群體在鐵基超導研究中做出重要貢獻，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)的鐵基超導研究尤其引人矚目。

　　物理所極端條件實驗室靳常青研究組長期從事高壓新材料和物理研究，他們在2008年鐵基超導研究熱潮中發現了“111”型LiFeAs超導體【Solid State Communications 148, 538 (2008)】，成為繼“1111”體系和 “122”體系又一個鐵砷超導體系。他們的工作得到國際同行認可，鐵基超導的發現者Hosono教授在綜述文章介紹“111”體系時引用了他們的工作【J. Phys. Soc. Jpn. 78, 62001 (2009)】，美國《今日物理》【Physics Today, 62, 36 (2009)】介紹鐵基超導的專欄文章在談到“111”體系時也介紹了他們的貢獻。

　　與“1111”及“122”相比，“111”體系的組分和結構相對簡單，對該體系的物相和結構研究有助于對鐵基超導機理的認識和新材料設計。繼發現LiFeAs超導，靳常青研究組相繼發現了“111”型LiFeP超導體【Europhys. Lett. 87, 37004 (2009)】，在“111”NaFeAs中加壓得到了31K的“111”系統最高的超導轉變【Europhys. Lett.88, 47008 (2009)】。在“111”NaFeAs中觀察到超導轉變隨壓力先上升再下降的現象，而對同結構的LiFeAs，加壓導致Tc單調下降【Phys. Rev. B 80, 14506 (2009)】。

　　為了在結構上認識壓力對“111” NaFeAs的作用特征，他們開展了壓力調控的晶體結構的演化研究，先后在美國Brookhaven和Argonne實驗室的同步輻射光源高壓站進行了數輪在位衍射實驗。通過系統的實驗研究，對采集的實驗數據進行結構精修，劉清青等人得到了“111” NaFeAs的晶體結構隨壓力的演化規律。研究發現，隨著壓力上升，“111” NaFeAs出現壓力誘導的等結構相變，從一個常壓四方相過渡到“坍縮”高壓四方相。早在2008年鐵基超導熱中，靳常青研究組和王楠林研究組合作，在“1111”體系NdFeAs(O,F)中也發現了壓力誘導的四方相的等結構相變【J. Amer. Chem. Soc. 130, 13828 (2008)】。該工作成為在鐵基超導體中最早發現的壓力誘導的等結構相變，研究工作作為年度亮點，入選美國Brookhaven實驗室同步輻射光源(NSLS) 2009年的年度進展報告。

　　此后，其他研究組相繼在“1111”體系其它組分化合物及“122”體系發現了類似的壓力誘導的等結構相變。而他們新近在“111” NaFeAs發現的等結構相變表明，這應該為鐵基超導體系的共有的壓力誘導的晶體演化規律。他們進一步通過對衍射譜的結構精修，得到了“111” NaFeAs特征晶體結構參量As~Fe~As鍵角和 As到Fe面距離隨壓力的演化規律，發現這些結構參量的突變和壓力誘導的等結構相變及超導轉變溫度的變化密切相關。最高超導轉變溫度對應常壓和高壓四方相的轉變點以及最佳As~Fe~As鍵角和As到Fe面距離，這為尋求“111” NaFeAs壓力調控的超導物性演化的結構起源提供了重要實驗依據，也為從結構設計上探尋新的鐵基超導提供了重要信息。以上結果發表在近期美國化學學會會志上【Q.Q. Liu et al., J. Am. Chem. Soc. 133, 7892 (2011)】。

　　以上工作得到科技部國家重點基礎研究發展計劃和基金委國際合作項目的資助。

圖1：”111”NaFeAs的衍射譜隨壓力的演化：隨壓力上升結構從常壓四方相向高壓坍縮四方相(~3GPa)和超高壓相(>20GPa)轉化。

圖2：”111” NaFeAs的晶胞體積隨壓力演化，圖中實線為根據Birch二級狀態方程的擬合結果，常壓四方相和高壓坍縮四方相具有不同的體彈模量 。

圖3：“111” NaFeAs的超導轉變溫度和結構隨壓力的演化。超導轉變溫度極大值發生在常壓四方相至高壓四方相的轉變處，對應FeAs配位的理想構型。