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中国科学院物理研究所 SC8组供稿 第47期 2013年09月12日
北京凝聚态物理国家实验室
铁基超导体电子态的各向异性研究取得新进展
    理解高温超导体电子态相图一直都是高温超导机理研究的核心课题,其中关键难点之一就是铜氧化物高温超导体正常态下赝能隙的物理机制,尽管理论上认为电子向列相是其可能的起源,却一直未找到决定性的实验证据。有关问题在铁基高温超导体研究中取得了新进展:最近实验上发现铁基超导材料的电子态在铁砷二维平面内不仅在低温正交相(晶格为二重对称性)下呈现强烈各向异性,而且一直持续到高温四方相(晶格为四重对称)中,其消失温度T*要远高于晶体结构相变温度Ts和反铁磁相变温度TN。理论上预言,这种在四方相中的电子态对称破缺也主要来自于电子向列相的形成,和铜氧化物中赝能隙现象极为相似。铁基超导体电子态在平面内的各向异性实验证据主要来自电阻率、磁化率、光学响应等输运测量结果,且这些实验中往往需要加偏置压力使样品退孪晶,目前尚不清楚偏置压力是否引入人为因素。尽管角分辨光电子谱已经给出轨道各向异性的证据,在更为均匀的退火样品中的输运研究以及扫描隧道显微镜的局域态密度分析说明杂质效应也同样会造成此结果,而和自旋相关的各向异性研究则一直缺乏。
    最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)戴鹏程研究组(SC08组)的罗会仟副研究员、李世亮研究员、戴鹏程研究员和博士生王猛、鲁兴业、张睿等人利用极化中子散射,针对电子型掺杂铁基超导体BaFe2-xNixAs2中电子态各向异性开展了深入的研究(图1)。他们首先确认与超导密切相关的自旋共振模无论在能量、动量还是温度依赖关系上都是空间各向同性的,属于从自旋单态到三重态的库柏电子对激发。然而在更低能量段(< 5meV),自旋激发在不同的中子极化方向出现明显的各向异性(图2)。令人惊讶的是,这种低能自旋激发的各向异性一直持续到结构相变温度Ts和反铁磁相变温度TN之上,并最终和电阻的各向异性同时在T*温度消失。更有意思的是,这种各向异性在超导转变温度Tc之下还被进一步增强 (图3)。通过对多个动量空间点的测量数据进行综合分析,他们认为低能自旋激发的各向异性主要来源于平面内自旋激发分量M110和M1-10的差异(图4)。 因此,高温四方相下的各向异性的低能自旋激发可以解释为:电子通过自旋-轨道耦合效应在自旋激发态中体现了轨道序的各向异性。由于极化中子散射具有独特的自旋空间分辨和动量空间分辨功能,该实验结果在没有加偏置压力的样品上获得,更加体现了铁基超导体电子态各向异性的本征性。该实验首次从自旋角度揭示了铁基超导体在四方相中的电子态各向异性,对理解高温超导体中向列相乃至赝能隙的形成有重要参考意义。该项研究结果发表在近期的Physical Review Letters上【详见Phys. Rev. Lett. 111, 107006 (2013)】。
    上述研究工作中的极化中子散射实验与法国劳厄-朗之万研究所(ILL)的Louis-Pierre Regnault、美国莱斯大学和田纳西大学的博士后张承林合作完成,理论方面与中国科学院物理研究所/美国普渡大学的胡江平研究员合作。
    该研究工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金青年基金项目以及美国相关科学基金等项目的支持。
    文章链接: Spin excitation anisotropy as a probe of orbital ordering in the paramagnetic tetragonal phase of superconducting BaFe1.904Ni0.096As2
图1. BaFe2-xNixAs2电子态相图,其中T*为平面内电阻各向异性消失温度,箭头所指为测量样品掺杂点。
图2. 低能自旋激发在y和z极化方向出现明显的各向异性。
图3. E=3meV处自旋激发的各向异性一直持续到远高于TN和Ts的T*温度,并在Tc以下的超导态增强。
图4. 低能自旋激发的各向异性主要来源于平面内自旋激发分量M110和M1-10的差异。
下载附件>> BaFeNiAs_Polarized_HQ Luo_PC Dai_PRL_111_107006_2013.pdf
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