超导态下存在向列序量子临界点的确凿证据

因对称性破缺而出现的有序电子态是凝聚态物理研究中俯拾皆是的基本现象。类比于液晶中的向列相,物理学家提出在关联电子材料中同样可能存在类似的“电子向列相”,即由于电子相互作用,系统呈现出打破晶格固有的旋转对称性的电子态。在铁基超导材料中,随着温度的降低,其母体大多将经历从四重对称的四方相到二重对称的正交相的结构相变,并随后发生从顺磁态到共线型反铁磁态的磁性相变。通过引入掺杂或压力,结构相变和反铁磁相变会逐渐被压制,超导随之出现,并且在结构和磁相变消失的临界点附近达到最高的超导转变温度。目前,许多实验研究揭示了铁基超导体中电子态性质(如电阻、红外光谱、轨道能级、杨氏模量等)有着显著的铁砷/铁硒面内二重对称特征,甚至持续到四重对称的高温四方相中,表明结构相变是由电子自由度而非晶格自由度驱动的,来源于旋转对称破缺的电子向列相。然而,向列型电子态相变的驱动力是轨道还是自旋自由度,仍有很大争议,向列型电子态涨落与超导电性是否存在直接关联也尚不清楚。认识清楚电子向列相的物理起源,对理解铁基材料中的结构相变机理、磁性物理及高温超导电性均至关重要。

自2008年被发现以来,已有至少20种不同结构铁砷化物或铁硒化物被证实存在超导电性,它们统称为铁基超导体。由于铁基超导体同样可以突破BCS强耦合理论预言的40K的麦克米兰极限,它和铜氧化物超导体一起被列入高温超导家族,其超导微观机理问题至今仍是凝聚态物理前沿领域皇冠上的明珠。

常规超导的机制是两个电子通过交换声子形成电子对,这些电子对的凝聚导致超导态。原则上,其他类型的量子也可以起到类似声子的作用。例如,铜氧化物高温超导体中,有人认为两个电子通过交换顺磁振子可以实现非常规超导。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室SC8研究组在BaFe2-xNixAs2体系中电子向列相研究方面取得两项进展。在向列相的自旋关联研究中,他们利用中子散射验证了理论所预言的自旋关联长度各向异性。而在向列相的输运研究中,他们通过电阻测量发现了不符合简单伊辛模型描述的向列相临界涨落,并表明该涨落与电子向列型量子临界点直接相关。这些工作使研究人员更进一步理解了铁基超导体中向列相的相关问题。

经过多年研究,人们普遍认为,铜氧化物高温超导电性均可视作对反铁磁莫特绝缘体的母体进行掺杂而获得,从而存在一个统一描述的相图。对铁基超导体而言,其所谓“母体”具有反铁磁性,却表现出金属导电性(具有一定浓度的载流子),通过对母体掺杂电子、空穴甚至同价掺杂都可以诱导出超导电性。更令人难以理解的是,相当一部分未掺杂的铁基超导“母体”本身甚至具有超导电性,进一步掺杂反而可能抑制超导。不同体系的铁基超导体,具有千奇百怪的电子态相图,单纯用掺杂浓度作为变量,已不足以准确描述其物理行为。因此,寻找描述铁基超导体物理性质的统一变量,以及严格物理意义上的母体,成为铁基超导机理研究重点之一。

铁基高温超导体中除磁有序及磁涨落外,还存在另一种序:电子向列序。这是一种与液晶相似的性质,即电子向列态破缺晶体的旋转对称性。近来,电子向列序的涨落对物性的影响成为人们关心的一个重要科学问题。最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郑国庆研究组的博士研究生王春光等人通过核磁共振测量发现,在NaFe1-xCoxAs的超导态下存在一个向列量子临界点(这里电子向列序消失),由此造成的量子涨落导致电子有效质量的增大。这个发现表明,电子向列序的涨落是一种新的量子,它与声子或顺磁振子一样,对物性有深刻的影响,有助于提高超导的转变温度。

首先,研究组在向列相自旋关联研究方面取得进展。如图1所示,欠掺杂铁基超导体BaFe2-xNixAs2低温下的磁结构为铁位有效磁矩沿a方向反铁磁、b方向铁磁排列,两铁原子层之间也是反铁磁排列。因此,对于处于反铁磁有序态的单畴晶体,其低能自旋涨落仅在反铁磁波矢Q1=附近出现,而在其90°对称位置Q2=
为零。一旦升温进入高温顺磁态,自旋排列恢复各向同性,自旋涨落也同时在Q1和Q2两个点存在且强度相同。理论上预言,如果电子向列相由自旋自由度驱动的话,那么即使在高温四方相的顺磁态(晶格和磁性均满足四重对称),也将出现二重对称的自旋涨落分布,即Q1=点自旋激发强度将大于Q2=
点,两者差异随温度降低而显著增大,同时,自旋关联长度也将出现类似行为,体系将形成所谓的“自旋向列相”。这种自旋激发强度的各向异性已经在SC8组之前的中子散射实验研究中被证实(Science
345, 657
。最近,他们进一步对自旋关联长度的各向异性进行了研究。图2给出了Q1=和Q2=在不同温度下的磁激发峰,可以看出随温度二者之间的变化是不同的。通过峰宽,可以获得自旋关联长度。他们发现,在结构相变温度之上,在峰强出现各向异性的同时,关联长度的各向异性也开始出现。在峰强与关联长度各向异性之间存在着明显的关联,与自旋向列相理论预言符合的非常好。另外,通过上述数据计算的动力学磁化率随温度的变化关系可以用朗道相变理论来描述,说明其可以视为自旋向列相的序参量。该研究结果支持了自旋自由度作为电子向列相主要驱动力的图像,并于最近发表于《物理评论快报》(Physical
Review Letters
117, 227003 。

近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室SC8研究组通过测量单轴压力下的电阻行为,对大量铁基样品母体和掺杂样品的向列相涨落性质进行了详细研究,发现反铁磁有序磁矩反比于向列居里常数。这暗示铁基超导体的磁基态可以通过调节向列涨落的强度获得。由此可以建立一个统一的铁基超导体相图,其中超导诞生于某一假设理想母体,该母体具有很大的有序磁矩及较弱的向列涨落。

在多数铁基高温超导体中,反铁磁和电子向列序的转变温度非常接近,由它们外推得出的量子临界点不可区分。几年前,该研究组的周睿(现中科院特聘研究员)等人在靳常青研究组合成的NaFe1-xCoxAs样品上进行核磁共振实验,证实了该体系中存在反铁磁序和伴随结构相变的向列序(Phys.Rev.B
93,060502.),并发现这是一个非常独特的体系。首先,不同于其他铁基超导体系,该体系的结构相变温度Ts与反铁磁相变温度TN在整个相图中一直相差很大。其次,该体系只需要2.7%的Co替代量就可以实现最高超导临界温度Tc,极大地减小了无序和杂质对量子临界现象的影响。因此,NaFe1-xCoxAs体系非常适合研究电子向列序的量子临界现象及它对超导的影响。但是,由于超导相的存在,探测T=0的量子临界点成为一个非常困难的课题。

其次,研究组在电子向列相的量子涨落研究方面取得进展。由于电子向列相随掺杂逐渐消失,因此有报道认为可能存在电子向列相的临界点。但是在通过研究电阻随应变变化来获得向列相涨落时,并没有看到在最佳掺杂附近存在着最强的涨落信号。为了更好地研究电子向列相涨落,他们独立设计并搭建了一套基于压电陶瓷片的单轴压力装置。压电陶瓷片既可提供拉伸力,又可提供压缩力,因此通过连续改变陶瓷片电压,可以让被测量的晶体感受从正到负的单轴压力,准确地获得量子临界区信息。当应力沿着四方相的方向时,由于铁砷面内二重对称的电阻特性,在结构相变温度之下可以获得类似磁滞回线的电阻随压力变化曲线。当温度升高至结构相变温度之上时,电阻与压力成线性关系,其斜率随温度上升而迅速变小。这一结果与之前其他方法测量结果是一致的,即在方向能够观测到向列相的信号。然而,令人惊讶的是,在沿着四方相的方向施加应力,同样可以观测到电阻随压力线性变化,这与简单的伊辛向列图像是不符合的。之前的研究已经表明,方向电阻随线性压力的依赖关系来源于向列相涨落。如果定义ζ为d/dp,其中ΔR、R0和p分别为电阻变化、零压电阻及压强,在欠掺杂区域,ζ的温度依赖关系类似于居里外斯定律,通过拟合可以获得其平均场转变温度T’。而在过掺杂区域,则在Th处出现鼓包,表明该区域随温度降低而过渡到量子无序区。有意思的是,方向的ζ也出现较强的掺杂依赖关系,且其在欠掺杂区域温度依赖关系无法用居里外斯定律拟合,而在过掺杂区域表现出和方向类似的鼓包行为,二者之间成一定的倍数。图6给出了BaFe2-xNixAs2体系的相图,其中T’和Th相交在最佳掺杂处,表明存在着向列量子临界点。而方向的ζ信号在该量子临界点处最强,强烈暗示该信号来源于费米面与向列相临界涨落的耦合,这样的量子临界点及其临界涨落行为不是简单的伊辛模型能够描述的。这一新的发现不仅拓宽了人们对铁基超导体向列量子临界涨落的理解,更对巡游电子体系中奇异量子临界点的理论研究提供了新的事例,这一工作发表于《物理评论快报》(Physical
Review Letters
117, 157002 。

仔细观察不同体系铁基超导体掺杂相图,可以发现其中反铁磁有序、超导电性和电子向列相三者是最显著的特征
。电子向列相指的是,系统中呈现出打破晶格固有的旋转对称性的电子态,在铁基超导体中表现为晶体ab面内二重对称的电子态性质。寻找反铁磁、超导和向列相三者之间的具体关系,是理解铁基超导微观机理的关键。尽管在某些铁基超导体中并不存在反铁磁序,但电子向列相或向列涨落总是存在的。研究组基于独立设计搭建的一套基于压电陶瓷片的单轴压力电测量装置,实现了对电子向列型涨落进行非常精密的测量,并首次揭示了向列型量子临界点与铁基超导电性的密切联系。通过更广泛地测量1111、122、
11、111、112等多个铁基超导体的系列样品,他们发现对存在二级结构相变的样品,或最佳掺杂的样品,其向列相磁化率温度依赖行为皆可用居里-外斯定律来描述
。由此,可以定义一个居里常数An,用于描述向列相涨落强度。该居里常数绝对值的倒数|An|-1,和铁基超导体的静态有效磁矩M,成一个非常简单的线性标度关系,即:向列涨落越强,其反铁磁性就越弱。这是实验上首次将反铁磁有序磁矩大小与另一物理量相联系。当反铁磁和向列相消失时,会形成一个量子临界点,正好对应最佳掺杂超导电性
。由此,可以从物理上定义一个严格意义的铁基超导母体,它具有很大的有序磁矩及极弱的向列涨落。通过增强向列涨落,可以抑制其反铁磁性并最终获得高温超导电性
。该统一电子态相图的建立,为理解不同铁基超导体系中复杂的掺杂物理行为开启了崭新的视角,对铁基超导微观机理研究具有重要启示。需要指出的是,这一相图可能仍无法解释一些特殊的铁基超导体材料,如LiFeAs、“1111”体系中第二个超导区域、加压下FeSe相图,以及不超导的Cu、Cr、Mn掺杂体系等。这一工作发表在Physical
Review Letters
上。

最近,两个研究组通力合作,用核磁共振方法研究零温London穿透深度λL随掺杂x的变化。磁场在超导体中形成三角形或四角形的磁通格子,导致超导体内部磁场分布不均匀,空间不均匀的程度取决于London穿透深度,而核磁共振的谱展宽是探测不均匀磁场分布的有力手段。

上述研究工作由SC8研究组李世亮和罗会仟负责,其中向列相自旋关联研究主要由博士生张汶良完成,向列相量子涨落研究工作主要由博士生刘曌玉完成。除了本组其他老师和学生的贡献外,上述工作中的非弹性中子散射实验与德国慕尼黑的Heinz
Maier-Leibnitz Zentrum 研究所的J. T.
Park合作完成,在理论方面与中科院物理所的孟子杨和杨义峰等开展了密切合作,中科院物理所的任聪、单磊、邱祥冈和美国Rice大学的戴鹏程、中国原子能科学研究院的郝丽杰等在测量和数据讨论方面提供了很多帮助。

该系列研究工作得到了中科院战略性先导科技专项、中科院青促会、国家重点基础研究发展计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家青年千人计划等的支持。

基于这个原理,研究团队发现λL2在xM=0.027和xc=0.032处有两个非常尖锐的峰,如图1所示。通过测量自旋晶格弛豫率1/T1,他们发现由反铁磁自旋涨落导致的1/T1在低温下几乎不随温度变化,这表明零温下交错磁化率发散性地增长,从而确认xM是反铁磁量子临界点。

该系列研究工作得到了中科院B类先导、中科院青促会、科技部“973”项目、国家自然科学基金、国家青年千人计划等项目的支持。

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