物理所鐵基超導(dǎo)體自旋漲落研究取得進(jìn)展(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2022-04-15

非常規(guī)超導(dǎo)體包括銅氧化物高溫超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體和部分有機(jī)超導(dǎo)體等，因不能用傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)理論描述而得名，它們的微觀機(jī)理至今是凝聚態(tài)物理中頗具挑戰(zhàn)性的難題之一。傳統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)理僅考慮電荷相互作用，即巡游電子與構(gòu)成材料晶格的原子發(fā)生庫(kù)侖相互作用，通過(guò)交換晶格振動(dòng)的能量量子——聲子而發(fā)生兩兩配對(duì)，最終相干凝聚成超導(dǎo)宏觀量子態(tài)。而在非常規(guī)超導(dǎo)體中，自旋相互作用顯得尤為重要，超導(dǎo)電性往往起源于對(duì)母體中靜態(tài)反鐵磁序的抑制，且在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之后，自旋體系動(dòng)態(tài)上會(huì)與超導(dǎo)態(tài)發(fā)生“共振”——在特定的能量和動(dòng)量處形成一個(gè)集體自旋激發(fā)模，可被中子散射直接觀測(cè)到，稱中子自旋共振模。該共振模在非常規(guī)超導(dǎo)體中普遍存在，預(yù)示自旋漲落可能是配對(duì)的媒介。然而，自旋漲落如何參與電子配對(duì)，它們?cè)谶^(guò)程中是否存在特殊的“偏好”？這是非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理的核心問(wèn)題。鐵基超導(dǎo)體的龐大家族成員、多能帶電子結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)的多樣性為非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理的研究帶來(lái)了良好契機(jī)，特別是鐵離子的局域磁矩與費(fèi)米面附近的巡游電子之間的強(qiáng)烈耦合效應(yīng)蘊(yùn)含著豐富的物理。

 

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC8組李世亮、羅會(huì)仟團(tuán)隊(duì)致力于利用非彈性中子散射探究鐵基超導(dǎo)體的自旋動(dòng)力學(xué)，在鐵基超導(dǎo)體的中子自旋共振模方面取得系列前沿進(jìn)展。例如，在112體系（Ca^0.82La^0.18Fe^0.96Ni^0.04As²）發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)二維的自旋共振?！綪hys. Rev. Lett. 120, 137001 (2018)】；在1144體系（CaKFe⁴As⁴）發(fā)現(xiàn)c方向奇偶調(diào)制的自旋共振?！綪hys. Rev. Lett. 120, 267003 (2018)】；在12442體系（KCa²Fe⁴As⁴F²）發(fā)現(xiàn)色散朝下的自旋共振?！綪hys. Rev. Lett. 125, 117002 (2020)】等。這些研究闡釋了鐵基超導(dǎo)與其他非常規(guī)超導(dǎo)電性的異同，為建立統(tǒng)一的非常規(guī)超導(dǎo)微觀機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

 

近日，該團(tuán)隊(duì)在鐵基超導(dǎo)自旋漲落研究方面又取得了重要進(jìn)展，確立了超導(dǎo)態(tài)下自旋漲落的普遍擇優(yōu)取向。如圖1（a）所示，鐵砷化物超導(dǎo)體具有三類(lèi)不同的磁性基態(tài)：面內(nèi)共線的條紋狀自旋密度波（SSDW）、面外共線雙軸c取向的電荷-自旋密度波（CSDW）和面內(nèi)非共線但共面的自旋渦旋序（SVC）。它們可以統(tǒng)一用雙分量的傳播矢量來(lái)描述，并在平均場(chǎng)相圖的不同區(qū)域互為鄰居，決定其磁性基態(tài)的關(guān)鍵因素在于朗道參數(shù)（g、w、η）的符號(hào)和自旋-軌道耦合的具體形式。已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前兩者磁有序態(tài)下自旋共振模具有c方向極化的特征，而在晶格對(duì)稱性為四方相下的SVC態(tài)的自旋漲落取向尚不清楚。研究通過(guò)在CaKFe⁴As⁴中摻入Ni，獲得了T^N=48 K SVC態(tài)與T^c=20 K超導(dǎo)態(tài)共存的樣品，單晶尺寸達(dá)到厘米量級(jí)，用于非彈中子散射實(shí)驗(yàn)總樣品量為4.426克【圖1（b）、（c）】。該樣品在自旋渦旋磁結(jié)構(gòu)下，自旋雙分量呈90°鎖定，原則上自旋漲落可以是面外的c方向或面內(nèi)a方向，而整個(gè)SVC結(jié)構(gòu)面內(nèi)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)一個(gè)具有手性的殘余序參量，稱自旋渦旋密度波（SVDW）。在如此特殊的自旋-軌道耦合下會(huì)出現(xiàn)怎樣的自旋各向異性？非極化中子散射實(shí)驗(yàn)表明，該體系存在類(lèi)似CaKFe4As4的奇偶調(diào)制雙自旋共振模，共振能量分別為7 meV和15 meV【圖2（a）、（b）】。在SVC態(tài)下，低能激發(fā)會(huì)凝聚到靜態(tài)磁序中，形成奇數(shù)調(diào)制的自旋能隙【圖2（c）、（d）】。研究利用極化中子散射剖析了自旋漲落的空間各向異性，如圖3所示，在超導(dǎo)態(tài)和SCV態(tài)共存區(qū)（T=1.5 K）、SVC態(tài)（T=25 K）與順磁態(tài)（T=55 K）下，c方向的自旋漲落Mc均在低能占據(jù)主導(dǎo)。特別是超導(dǎo)態(tài)下，自旋共振峰有明顯的c方向極化行為，而面內(nèi)輕度的各向異性可能與SVDW序有關(guān)【圖3（a）-（c）】。溫度依賴測(cè)量表明，該c方向?yàn)橹鞯淖孕凉q落持續(xù)到100 K左右，遠(yuǎn)高于磁相變溫度【圖3（d）】。該研究確立了SVC態(tài)下鐵基超導(dǎo)體仍具有明顯的c方向擇優(yōu)自旋漲落，推進(jìn)了鐵基超導(dǎo)體中自旋-軌道耦合效應(yīng)的研究，指出了不同磁性基態(tài)之間的具體聯(lián)系（圖4）。無(wú)論鐵基超導(dǎo)體磁性基態(tài)是何種構(gòu)型，在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之后的自旋共振模中，均具備c方向優(yōu)先的普遍特征。該研究還意味著鐵基超導(dǎo)中電子配對(duì)可能有軌道選擇傾向，如c方向擇優(yōu)的自旋漲落來(lái)自某些特定電子軌道與局域自旋的強(qiáng)烈耦合，在遠(yuǎn)高于超導(dǎo)和磁相變溫度之上就已存在，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之后會(huì)被迅速增強(qiáng)。

 

相關(guān)研究成果以Preferred spin excitations in the bilayer iron-based superconductor CaK(Fe^0.96Ni^0.04)⁴As⁴ with spin-vortex crystal order為題，發(fā)表在Physical Review Letters上，并被選為Editors’Suggestion。Physics在Synopsis欄目發(fā)表了題為Spin Fluctuations May Drive Iron-Based Superconductivity的專題科普?qǐng)?bào)道。

 

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類(lèi)）、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)、北京大學(xué)、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參與研究。

圖1.（a）鐵基超導(dǎo)體磁結(jié)構(gòu)的平均場(chǎng)相圖，（b）CaK(Fe^1-xNi^x)⁴As⁴體系的電子態(tài)相圖，（c）實(shí)驗(yàn)所用單晶樣品，（d）自旋渦旋序(SVC)結(jié)構(gòu)，（e）SVC態(tài)下自旋漲落方向

 

圖2.CaK(Fe^1-xNi^x)⁴As⁴中的具有奇偶調(diào)制的自旋共振模和奇數(shù)調(diào)制自旋能隙

 

圖3.CaK(Fe^1-xNi^x)⁴As⁴中低能自旋激發(fā)空間各向異性及其能量和溫度依賴關(guān)系

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