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中国科学院物理研究所 SC4组供稿 第10期 2014年04月15日
北京凝聚态物理国家实验室
铁基磷族化合物超导体高压研究进展
  在新的铁基超导体的探索和对其超导机理的研究方面近年来科学家们取得了卓有成效的进步。Ca10(PtnAs8)(Fe2As2)5 (n=3, 4)是一种新型的具有复杂结构的铁基磷族化合物超导体,其晶体结构可描述为在CaFe2As2 晶格中交替用PtnAs8中间层(被成为方钴矿层)来置换Fe2As2层,即在一个晶胞中以Ca-PtnAs8-Ca-Fe2As2复杂的层状形式堆垛而成。这类化合物有两类不同的中间层,其相应的物理性能也明显不同。当中间层为Pt3As8时,未掺杂的Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5化合物为反铁磁半导体,用Pt部份替代其FeAs层中的Fe,可使其出现超导电性。 当中间层为Pt4As8时,与下大多数其它铁基磷族超导体类似,在常压下表现出金属特性,并在26K温度下出现超导电性。由于Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5化合物具有独特的半导体特性的中间层使其在已有报导的铁基超导体中占有特殊的地位。另外,其构成为电荷库层和导电层,这使其可能会成为一种联接铜氧化物和磷族铁基超导体的理想化合物,为高温超导体的研究提供了新的实验体系。
  为研究这种具有复杂结构化合物在高压下可能表现出的丰富的物理行为,中国科学院物理研究所超导实验室赵忠贤院士团队的孙力玲研究员和博士生高佩雯等与美国普林斯顿大学R.J. Cava 教授和N. Ni 博士合作,通过高压原位电阻、交流磁化率、霍尔测量及同步辐射X射线结构分析等综合实验手段,对这类化合物进行了深入、系统的研究。发现压力在有效抑制样品中的反铁磁长程序后,导致了超导电性的出现。获得的温度-压力相图清楚的显示在3.5-7 GPa压力范围有一拱形的超导区域,其最高超导转变温度为8.5K,出现在4.1GPa处。高压原位同步辐射结构分析结果表明,在本研究的压力范围内没有结构相变的产生。对比温度-压力电子相图和Fe位掺Pt的温度-掺杂电子相图,可以看出两者之间有明显的相似和不同。在4.1GPa以内,压力和电子掺杂对体系的反铁磁转变温度、超导转变温度的影响十分相似,然而在更高压力下,压力对该系统的 TC随压力变化关系与电子掺杂的变化关系完全不同, 表明两种途径诱发超导电性的直接起因是不同的。另外,这类化合物的电子相图中不存在反铁磁和超导共存的两相区,这与其他已知的铁基磷族化合物122型超导体不同。高压原位霍尔测量结果表明,压力导致电子从电荷库层到铁砷层的转移,为实现超导电性提供了载流子。值得注意的是掺杂和压力下其载流子都为电子型的,对这两类超导相图的对比显示在一定的压力和掺杂范围内其对反铁磁的抑制和对超导电性的诱发作用是类似的,但在更高的压力和掺杂比例下,则完全不同。这些实验结果为进一步深入开展对铁基超导体的实验和理论研究提供了重要的信息。相关研究结果发表在近期《先进材料》杂志上【Advanced Materials,26, 2346-2351,2014】。该项工作得到了国家自然科学基金和科技部973计划的支持。
  相关工作链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201305154/pdf
图1 10-3-8单晶样品在不同压力下的电阻随温度变化曲线。(a)在2.5 GPa以下,样品处于半导体态,插图展示了结构相变温度和磁相变温度随压力的变化规律。(b)在3.5-7 GPa之间发现超导转变。(c)随着压力的增加,超导电性消失。继续增加压力,低温下的半导体行为被逐渐抑制。(d)压力为23 GPa以上, 系统呈金属态。
图2 (a)5.8GPa压力下10-3-8单晶样品的电阻温度曲线随磁场的变化规律, 随着磁场的增加, 其超导转变被抑制。(b)不同压力下10-3-8单晶样品的交流磁化率曲线。
图3  10-3-8单晶样品的温度-压力电子相图及其与温度-掺杂相图的对比(实心点代表压力下的超导转变温度Tc,空心点代表Fe位Pt掺杂的Tc)。
图4  不同压力下10-3-8单晶样品的Hall系数随温度变化规律,插图为20K时的载流子浓度随压力变化曲线及与电子掺杂的对比。

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