物理系赵俊课题组实验明确铁硒超导体的磁基态

2019-09-01 21:15 来源:未知

新闻中心讯 近日,我校物理系赵俊课题组利用中子散射技术在铁硒(FeSe)超导体中首次观测到了一种新奇的自旋为1的向列性量子无序顺磁态,这一磁基态的发现对理解FeSe类高温超导机理提供了新的角度,相关研究论文“Magnetic ground state of FeSe”于7月19日在国际权威期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上发表(DOI: 10.1038/NCOMMS12182)。物理系直博生王奇思,沈瑶,博士后泮丙营为该论文的共同第一作者,一年级直博生张孝文为第四作者。

中子散射技术确定铁硒超导体磁基态
为理解高温超导机理提供新角度

超导电性是指在某一温度之下材料的电阻完全消失的现象。由于它背后蕴含深刻的物理、并具有广阔的应用前景,超导现象自1911年被发现以来,一直是凝聚态物理学的研究热点。传统超导体的超导转变温度较低(一般低于40 K),其机理可以用基于电子-声子耦合的BCS理论来解释,该理论的发明人巴丁、库珀和施里弗因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。然而1986年和2008年相继发现的铜氧化物和铁基高温超导体(超导转变温度可以超过100 K)却无法用BCS理论来理解,因此高温超导机理仍是凝聚态研究的未解之谜。

本报讯复旦大学物理系赵俊课题组利用中子散射技术在铁硒超导体中首次观测到了一种新奇的自旋为1的向列性量子无序顺磁态,这一磁基态的发现对理解FeSe类高温超导机理提供了新的角度,相关研究成果7月19日发表于《自然—通讯》。

高温超导电性往往发生在长程反铁磁有序附近,因此磁性被认为与高温超导的产生有着密切的关系。例如铜氧化物超导体的母体化合物是奈尔(Néel)磁体,铁砷类铁基超导体的母体化合物是条纹(stripe)磁体,超导电性通常要在这些反铁磁的母体中引入载流子获得。然而与铜氧化物和铁砷类超导体不同,铁硒类超导体的母体FeSe却没有静态反铁磁序。与此同时,FeSe还表现出一系列奇异的超导特性,比如在加压,电子掺杂及单层薄膜下超导电性迅速增强,单层FeSe薄膜的超导转变温度甚至高达65到109 K,研究FeSe的奇异超导特性的关键是理解其磁性基态。

超导电性是指在某一温度之下材料的电阻完全消失的现象。高温超导电性往往发生在长程反铁磁有序附近,因此磁性被认为与高温超导的产生有着密切关系。然而,与铜氧化物和铁砷类超导体不同,铁硒类超导体的母体FeSe却没有静态反铁磁序,研究FeSe的奇异超导特性的关键是理解其磁性基态。

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赵俊课题组利用非弹性中子散射技术对FeSe大单晶中的自旋激发进行了覆盖整个布里渊区的测量。研究发现FeSe在很宽的能量区间同时存在奈尔反铁磁和条纹反铁磁涨落,由于FeSe中只包含一种磁性的铁原子,一种原子产生了两种强的磁激发是非常罕见的物理现象,说明该体系存在极强的磁相互作用阻挫,因此表明FeSe的磁基态是一种介于铜氧化物和铁砷类材料之间的新奇的向列性量子无序顺磁体。这一基态的发现揭示了铜氧化物超导体和铁基超导体磁性之间的潜在联系。

左图为FeSe中自旋激发示意图,右图为实验观测的奈尔(Néel)和条纹(stripe)自旋激发谱

通过分析不同FeSe族材料的磁涨落和向列相变以及超导的关系,他们还提出FeSe在电子掺杂及单层薄膜下超导电性的迅速增强很可能和奈尔自旋涨落的增强相关,这为理解其超导机理提供了新的角度。

最近,赵俊教授课题组利用非弹性中子散射技术对FeSe大单晶中的自旋激发进行了覆盖整个布里渊区的测量。研究发现FeSe在很宽的能量区间同时存在奈尔反铁磁和条纹反铁磁涨落,由于FeSe中只包含一种磁性的铁原子,一种原子产生了两种强的磁激发是非常罕见的物理现象,说明该体系存在极强的磁相互作用阻挫,因此表明FeSe的磁基态是一种介于铜氧化物和铁砷类材料之间的新奇的向列性量子无序顺磁体。这一基态的发现揭示了铜氧化物超导体和铁基超导体磁性之间的潜在联系。通过分析不同FeSe族材料的磁涨落和向列相变以及超导的关系,他们还提出FeSe 在电子掺杂及单层薄膜下超导电性的迅速增强很可能和奈尔自旋涨落的增强相关,这为理解其超导机理提供了新的角度。

《中国科学报》 (2016-07-21 第1版 要闻)

该研究的中子散射实验在美国橡树林国家实验室,英国卢瑟福·阿普尔顿实验室和日本J-PARC中子源完成。

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