鐵基超導(dǎo)體電子向列相中的自旋關(guān)聯(lián)與量子漲落研究獲進(jìn)展

　　因?qū)ΨQ性破缺而出現(xiàn)的有序電子態(tài)是凝聚態(tài)物理研究中俯拾皆是的基本現(xiàn)象。類比于液晶中的向列相，物理學(xué)家提出在關(guān)聯(lián)電子材料中同樣可能存在類似的“電子向列相”，即由于電子相互作用，系統(tǒng)呈現(xiàn)出打破晶格固有的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的電子態(tài)。在鐵基超導(dǎo)材料中，隨著溫度的降低，其母體大多將經(jīng)歷從四重對(duì)稱的四方相到二重對(duì)稱的正交相的結(jié)構(gòu)相變，并隨后發(fā)生從順磁態(tài)到共線型反鐵磁態(tài)的磁性相變。通過引入摻雜或壓力，結(jié)構(gòu)相變和反鐵磁相變會(huì)逐漸被壓制，超導(dǎo)隨之出現(xiàn)，并且在結(jié)構(gòu)和磁相變消失的臨界點(diǎn)附近達(dá)到最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。目前，許多實(shí)驗(yàn)研究揭示了鐵基超導(dǎo)體中電子態(tài)性質(zhì)(如電阻、紅外光譜、軌道能級(jí)、楊氏模量等)有著顯著的鐵砷/鐵硒面內(nèi)二重對(duì)稱特征，甚至持續(xù)到四重對(duì)稱的高溫四方相中，表明結(jié)構(gòu)相變是由電子自由度而非晶格自由度驅(qū)動(dòng)的，來源于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱破缺的電子向列相。然而，向列型電子態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力是軌道還是自旋自由度，仍有很大爭議，向列型電子態(tài)漲落與超導(dǎo)電性是否存在直接關(guān)聯(lián)也尚不清楚。認(rèn)識(shí)清楚電子向列相的物理起源，對(duì)理解鐵基材料中的結(jié)構(gòu)相變機(jī)理、磁性物理及高溫超導(dǎo)電性均至關(guān)重要。

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)SC8研究組在BaFe2-xNixAs2體系中電子向列相研究方面取得兩項(xiàng)進(jìn)展。在向列相的自旋關(guān)聯(lián)研究中，他們利用中子散射驗(yàn)證了理論所預(yù)言的自旋關(guān)聯(lián)長度各向異性。而在向列相的輸運(yùn)研究中，他們通過電阻測(cè)量發(fā)現(xiàn)了不符合簡單伊辛模型描述的向列相臨界漲落，并表明該漲落與電子向列型量子臨界點(diǎn)直接相關(guān)。這些工作使研究人員更進(jìn)一步理解了鐵基超導(dǎo)體中向列相的相關(guān)問題。

　　首先，研究組在向列相自旋關(guān)聯(lián)研究方面取得進(jìn)展。如圖1所示，欠摻雜鐵基超導(dǎo)體BaFe2-xNixAs2低溫下的磁結(jié)構(gòu)為鐵位有效磁矩沿a方向反鐵磁、b方向鐵磁排列，兩鐵原子層之間也是反鐵磁排列。因此，對(duì)于處于反鐵磁有序態(tài)的單疇晶體，其低能自旋漲落僅在反鐵磁波矢Q1=(±1, 0)附近出現(xiàn)，而在其90°對(duì)稱位置Q2=(0, ±1) 為零。一旦升溫進(jìn)入高溫順磁態(tài)，自旋排列恢復(fù)各向同性，自旋漲落也同時(shí)在Q1和Q2兩個(gè)點(diǎn)存在且強(qiáng)度相同。理論上預(yù)言，如果電子向列相由自旋自由度驅(qū)動(dòng)的話，那么即使在高溫四方相的順磁態(tài)(晶格和磁性均滿足四重對(duì)稱)，也將出現(xiàn)二重對(duì)稱的自旋漲落分布，即Q1=(±1, 0)點(diǎn)自旋激發(fā)強(qiáng)度將大于Q2=(0, ±1) 點(diǎn)，兩者差異隨溫度降低而顯著增大，同時(shí)，自旋關(guān)聯(lián)長度也將出現(xiàn)類似行為，體系將形成所謂的“自旋向列相”。這種自旋激發(fā)強(qiáng)度的各向異性已經(jīng)在SC8組之前的中子散射實(shí)驗(yàn)研究中被證實(shí)(Science 345, 657 (2014))。最近，他們進(jìn)一步對(duì)自旋關(guān)聯(lián)長度的各向異性進(jìn)行了研究。圖2給出了Q1=(1, 0, 1)和Q2=(0, 1, 1)在不同溫度下的磁激發(fā)峰，可以看出隨溫度二者之間的變化是不同的。通過峰寬，可以獲得自旋關(guān)聯(lián)長度。他們發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)相變溫度之上，在峰強(qiáng)出現(xiàn)各向異性的同時(shí)（圖3a），關(guān)聯(lián)長度的各向異性也開始出現(xiàn)（圖3b）。在峰強(qiáng)與關(guān)聯(lián)長度各向異性之間存在著明顯的關(guān)聯(lián)，與自旋向列相理論預(yù)言符合的非常好（圖3c）。另外，通過上述數(shù)據(jù)計(jì)算的動(dòng)力學(xué)磁化率隨溫度的變化關(guān)系可以用朗道相變理論來描述(圖3d)，說明其可以視為自旋向列相的序參量。該研究結(jié)果支持了自旋自由度作為電子向列相主要驅(qū)動(dòng)力的圖像，并于最近發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 117, 227003 (2016)）。

　　其次，研究組在電子向列相的量子漲落研究方面取得進(jìn)展。由于電子向列相隨摻雜逐漸消失，因此有報(bào)道認(rèn)為可能存在電子向列相的臨界點(diǎn)。但是在通過研究電阻隨應(yīng)變變化來獲得向列相漲落時(shí)，并沒有看到在最佳摻雜附近存在著最強(qiáng)的漲落信號(hào)。為了更好地研究電子向列相漲落，他們獨(dú)立設(shè)計(jì)并搭建了一套基于壓電陶瓷片的單軸壓力裝置(圖4a)。壓電陶瓷片既可提供拉伸力(張力)，又可提供壓縮力(壓力)，因此通過連續(xù)改變陶瓷片電壓，可以讓被測(cè)量的晶體感受從正到負(fù)的單軸壓力(圖4b)，準(zhǔn)確地獲得量子臨界區(qū)信息。當(dāng)應(yīng)力沿著四方相的(110)方向時(shí)，由于鐵砷面內(nèi)二重對(duì)稱的電阻特性，在結(jié)構(gòu)相變溫度之下可以獲得類似磁滯回線的電阻隨壓力變化曲線(圖4c)。當(dāng)溫度升高至結(jié)構(gòu)相變溫度之上時(shí)，電阻與壓力成線性關(guān)系，其斜率隨溫度上升而迅速變小。這一結(jié)果與之前其他方法測(cè)量結(jié)果是一致的，即在(110)方向能夠觀測(cè)到向列相的信號(hào)。然而，令人驚訝的是，在沿著四方相的(100)方向施加應(yīng)力，同樣可以觀測(cè)到電阻隨壓力線性變化（圖4(d)），這與簡單的伊辛向列圖像是不符合的。之前的研究已經(jīng)表明，(110)方向電阻隨線性壓力的依賴關(guān)系來源于向列相漲落。如果定義ζ為d(ΔR/R0)/dp，其中ΔR、R0和p分別為電阻變化、零壓電阻及壓強(qiáng)，在欠摻雜區(qū)域，ζ的溫度依賴關(guān)系類似于居里外斯定律，通過擬合可以獲得其平均場轉(zhuǎn)變溫度T’（圖5(a)）。而在過摻雜區(qū)域，則在Th處出現(xiàn)鼓包，表明該區(qū)域隨溫度降低而過渡到量子無序區(qū)（圖5(b)）。有意思的是，(100)方向的ζ也出現(xiàn)較強(qiáng)的摻雜依賴關(guān)系，且其在欠摻雜區(qū)域溫度依賴關(guān)系無法用居里外斯定律擬合（圖5(c)），而在過摻雜區(qū)域表現(xiàn)出和(110)方向類似的鼓包行為，二者之間成一定的倍數(shù)（圖5(d)）。圖6給出了BaFe2-xNixAs2體系的相圖，其中T’和Th相交在最佳摻雜處，表明存在著向列量子臨界點(diǎn)。而(100)方向的ζ信號(hào)在該量子臨界點(diǎn)處最強(qiáng)，強(qiáng)烈暗示該信號(hào)來源于費(fèi)米面與向列相臨界漲落的耦合，這樣的量子臨界點(diǎn)及其臨界漲落行為不是簡單的伊辛模型能夠描述的。這一新的發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了人們對(duì)鐵基超導(dǎo)體向列量子臨界漲落的理解，更對(duì)巡游電子體系中奇異量子臨界點(diǎn)的理論研究提供了新的事例，這一工作發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 117, 157002 (2016)）。

　　上述研究工作由SC8研究組李世亮和羅會(huì)仟負(fù)責(zé)，其中向列相自旋關(guān)聯(lián)研究主要由博士生張汶良完成，向列相量子漲落研究工作主要由博士生劉曌玉完成。除了本組其他老師和學(xué)生的貢獻(xiàn)外，上述工作中的非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)與德國慕尼黑的Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) 研究所的J. T. Park合作完成，在理論方面與中科院物理所的孟子楊和楊義峰等開展了密切合作，中科院物理所的任聰、單磊、邱祥岡和美國Rice大學(xué)的戴鵬程、中國原子能科學(xué)研究院的郝麗杰等在測(cè)量和數(shù)據(jù)討論方面提供了很多幫助。

　　該系列研究工作得到了中科院B類先導(dǎo)、中科院青促會(huì)、科技部“973”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、國家青年千人計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

圖1. BaFe_2-xNi_xAs₂晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)及自旋向列相

圖2. BaFe_2-xNi_xAs₂在Q=(1, 0, 1) 和 (0, 1, 1)處的磁激發(fā)分布。

圖3. BaFe_2-xNi_xAs₂在Q=(1, 0, 1) 和 (0, 1, 1)處自旋激發(fā)強(qiáng)度和自旋關(guān)聯(lián)長度的對(duì)比。

圖4. 基于壓電陶瓷技術(shù)的單軸壓力下BaFe_2-xNi_xAs₂電阻測(cè)量。

圖5. 單軸壓力下BaFe_2-xNi_xAs₂電阻測(cè)量給出的向列相漲落序參量。

圖6. BaFe_2-xNi_xAs₂中電子向列相漲落的相圖與量子臨界點(diǎn)。