對于鐵基超導(dǎo)材料Sr1-xNaxFe2As2超導(dǎo)機(jī)制的研究
當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究中最重要的問題之一是揭示磁性材料中的高溫超導(dǎo)機(jī)制。帶有自旋的電子常被認(rèn)為是局域在磁性離子實周圍的,而形成電流的電子則被視為在晶格中巡游。但事實上這兩者均為同一粒子。因此,這對立的兩面如何共同協(xié)助超導(dǎo)形成,是一個非常有趣的問題。這種“非常規(guī)”的機(jī)制與銅基超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體以及重費(fèi)米子超導(dǎo)體都密切相關(guān)。 在具有多個電子軌道的體系,例如鐵基超導(dǎo)材料中,電子自旋和軌道自由度的相互作用使得這個問題更為復(fù)雜。李源研究員與合作者之前的研究報道已經(jīng)揭示了自旋-軌道耦合對材料的磁性性質(zhì)有非常重要的影響。他們的實驗同時還表明鐵基超導(dǎo)材料中的磁性具有巡游與局域的雙重特性。這并不是一個完全意外的結(jié)果,因為已有的一些理論研究也說明鐵基超導(dǎo)體可以被所謂“洪德金屬”的模型描述。不過自旋-軌道耦合以怎樣的方式影響鐵基材料中的超導(dǎo)機(jī)理,依然是一個未知的問題。Figure 1. (a-c) Imaginary part of dynamic spin susceptibility measured at different temperatures. (d) Imaginary part of dynamic spin susceptibility integrated over 4-8 meV based on the data in (a) and (b). 現(xiàn)在,李源研究組及合作者采用基于飛行時間原理的中子散射譜學(xué)技術(shù),發(fā)現(xiàn)在一種鐵基超導(dǎo)材料中,有一類特定的磁激發(fā)對超導(dǎo)的形成至關(guān)重要,其作用機(jī)理與材料中的自旋-軌道耦合效應(yīng)密切相關(guān)。這項工作于2019年1月4日發(fā)表在《物理評論快報》上。 這項研究針對的是近年來發(fā)現(xiàn)的空穴摻雜的“122”體系鐵基超導(dǎo)材料中新奇四重對稱性磁相。在傳統(tǒng)的二重對稱性磁相中,電子自旋指向在晶體的ab面內(nèi),而在這種新發(fā)現(xiàn)的磁相中電子的自旋指向沿晶體的c方向。有這種四重對稱性磁相的晶體中超導(dǎo)溫度也被壓制。該項研究旨在探索超導(dǎo)的壓制與四方磁相中探測到的譜學(xué)特征的聯(lián)系。基于這一目的,研究組瞄準(zhǔn)了Sr1-xNaxFe2As2這一種有魯棒性的四方磁相,且較易制備大單晶的鐵基超導(dǎo)材料。Figure 2. (a-b) Constant-Q cuts measured at (0.5, 0.5, 1) and (0.5, 0.5, 3), with background subtracted. (c-d) Intensity difference between 6 K and 20 K at L = 1 and 3. 實驗發(fā)現(xiàn),在材料發(fā)生從二重對稱性(圖1a, T = 80 K)轉(zhuǎn)化為四重對稱性(圖1b, T = 20 K)的相變后,低能的自旋激發(fā)發(fā)生了顯著的變化。根據(jù)中子散射截面與散射幾何的關(guān)系,在L = 1處測量到的信號中c方向的磁激發(fā)有更大的比重,而在L = 3處則可探測到更多的ab面內(nèi)的磁激發(fā)。圖1d顯示,當(dāng)溫度從80 K降到20 K后,由于自旋的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)到了c方向,在低能激發(fā)中將難以沿c方向時自旋的長短發(fā)生改變,因此低能磁激發(fā)中c方向的自旋激發(fā)被抑制。實驗還發(fā)現(xiàn)了重要的一點(diǎn):超導(dǎo)相(圖1c, T = 6 K)的自旋激發(fā)相對非超導(dǎo)相的自旋激發(fā)有輕微的改變,這說明材料超導(dǎo)與的磁性質(zhì)相關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步的分析(圖2)發(fā)現(xiàn),這種改變主要發(fā)生在L = 1的位置,這說明在四重對稱性磁相中,盡管c方向的磁激發(fā)被抑制,但它們?nèi)匀皇桥c超導(dǎo)關(guān)系最密切的磁激發(fā)。這項結(jié)果揭示了在多軌道序洪德金屬中實現(xiàn)高溫超導(dǎo)的一個“兼容性”要求:局域的磁矩必須能夠為巡游電子提供后者在實現(xiàn)超導(dǎo)配對過程中所需的磁激發(fā)。由于在四重對稱性磁相中,該要求恰好不被滿足,所以超導(dǎo)溫度被抑制。 量子材料科學(xué)中心博士研究生郭見青和岳莉為該項工作的共同第一作者。相關(guān)的中子散射實驗是由日本的MLF, J-Parc用戶實驗項目支持完成的。這項工作由量子材料科學(xué)中心李源研究組和張焱研究組合作完成。研究課題得到了中國自然科學(xué)基金委和科技部項目的資助。References:[1] C. Wang et al., Phys. Rev. X 3, 041036 (2013).[2] M. Ma et al., Phys. Rev. X 7, 021025 (2017).[3] Z.P. Yin et al., Nat. Mater. 10, 932 (2011).[4] J. Guo, L. Yue et al., Phys. Rev. Lett. 122, 017001 (2019).
北京大學(xué)
2021-04-11