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中国科学院物理研究所 SC8组供稿 第13期 2015年04月22日
北京凝聚态物理国家实验室
铁基超导体中量子临界现象研究取得新认识
  在凝聚态物理中,通过化学掺杂、压力、磁场等非温度因素调控来实现的零温下相变被称之为量子相变,如果发生的量子相变属于二级相变,那么其对应的零温下参量临界点就称之为量子临界点。理论上认为,量子相变及其相关涨落是非常规超导材料中诸多奇异量子物性的物理根源之一,确认量子临界点存在与否也成为实验上的重要挑战。在铁基超导体中,其母体中的反铁磁序可以被化学掺杂所抑制并诱发超导电性,因此人们自然推测在反铁磁序消失处可能存在量子临界点,主要理由是该区域附近总是伴随着非费米液体等奇异量子行为。然而,要取得量子临界点的决定性实验证据,必须证明长程磁有序的相变温度被化学掺杂逐渐连续地抑制到零温,即体现出零温下二级相变的行为。
  近年来,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹) SC8研究组的戴鹏程、罗会仟、鲁兴业等针对铁基超导体的量子临界现象展开了非常细致的实验研究。他们首先在电子型掺杂铁基超导体BaFe2-xNixAs2中针对磁相变和结构相变开展了一系列的中子散射和x射线衍射研究,发现随着电子掺杂浓度的增加,母体中的长程反铁磁序在靠近最佳掺杂点附近会退化为短程非公度反铁磁序,并与超导序之间存在直接竞争关系,这种具有自旋玻璃团簇行为的短程磁有序的出现,导致磁相变温度TN和结构相变温度Ts在最佳超导临界温度Tc之上即被截止,即磁有序的消失更接近于一级相变而非二级相变,原本可能实现的磁量子临界点最终“被取消”(详见: H. Q. Luo et.al., Phys. Rev. Lett. 108, 247002 (2012) 及X. Y. Lu et.al., Phys. Rev. Lett. 110, 257001 (2013))。该发现首次质疑了铁基超导体中量子临界点的存在。随后人们在空穴型掺杂的铁基超导体Ba1−xAxFe2As2 (A = K, Na) 最佳掺杂附近观测到了类似的实验现象,说明量子临界点在空穴掺杂样品中也不存在。然而,相比电子或空穴掺杂带来的局域杂质效应可能会干扰量子临界特性,同价掺杂的BaFe2(As1-xPx)2体系具有最弱的杂质散射效应,也是最可能存在量子临界点的体系。的确,一系列相关实验表明在最佳掺杂BaFe2(As1-xPx)2(x=0.30)附近存在非费米液体、超流密度反常尖峰、电子有效质量发散等奇异物理性质,间接说明量子临界点存在的可能,但仍然缺乏磁相变相关的决定性实验证据。
  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) SC8研究组的博士生胡定、张汶良等在陈根富研究员的指导和博士生王培培的帮助下,成功生长了系列掺杂的BaFe2(As1-xPx)2高质量单晶。在此基础上,SC8组博士生胡定、鲁兴业、张汶良和罗会仟副研究员、李世亮研究员、戴鹏程研究员等开展了一系列弹性中子散射和高精度同步辐射x射线衍射实验,并与人民大学博士生王朋帅、于伟强教授等进行了核磁共振方面的合作,针对BaFe2(As1-xPx)2单晶样品的磁相变和结构相变开展了非常深入细致的研究。他们发现同价掺杂BaFe2(As1-xPx)2的体系中磁相变温度TN总是和结构相变温度Ts保持一致。尽管长程磁有序和低温正交相一直保持到了最佳掺杂点x=0.30附近 (图 1),但其序参量与超导态均存在剧烈的竞争 (图 2和图3)。反铁磁序在x=0.29处已出现自旋玻璃团簇行为,并在x=0.31样品中突然消失,导致TNTsTc之上的有限温度处同时消失 (图 1)。核磁共振的实验数据表明,尽管低掺杂样品x=0.25中反铁磁有序相接近100%,但在最佳掺杂边缘的x=0.29处反铁磁相仅有50% (图 4),表明该区域反铁磁相与超导相之间存在明显相分离。这与电子型掺杂材料具有极其类似的物理特性,同样说明同价掺杂的BaFe2(As1-xPx)2体系中反铁磁相变不可能被化学掺杂持续抑制到零温,即不存在量子临界点。该研究再次直接否定了铁基超导体中量子临界点的存在,并表明不同化学掺杂之间存在共性,对非常规超导量子相变的研究有着重要参考意义。该项研究结果于2015年4月17日发表在Physical Review Letters上【详见Phys. Rev. Lett. 114, 157002(2015)】。
  上述研究工作中的中子散射实验与加拿大中子研究中心(CNBC)的Zahra Yamani、瑞士散裂中子源(SINQ)的Christof Niedermayer和Markos Skoulatos、德国慕尼黑工业大学及马普所的MLZ中子源的Robert Georgii和 T. Keller等合作完成,高精度同步辐射X射线衍射实验与美国阿贡实验室(APS)的韩飞、Ames实验室及爱荷华大学的Shree R. Banjara、 A. Sapkota、 A. Kreyssig、 A. I. Goldman等人一起合作完成。
  该研究工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金项目、中国科学院B类先导项目以及美国相关科学基金等项目的支持。
  文章详见:Ding Hu, Xingye Lu, Wenliang Zhang, Huiqian Luo, Shiliang Li, Peipei Wang, Genfu Chen, Fei Han, Shree R. Banjara, A. Sapkota, A. Kreyssig, A. I. Goldman, Z. Yamani, Christof Niedermayer, Markos Skoulatos, Robert Georgii, T. Keller, Pengshuai Wang, Weiqiang Yu, and Pengcheng Dai, Structural and Magnetic Phase Transitions near Optimal Superconductivity in BaFe2(As1−xPx)2, Phys. Rev. Lett. 114, 157002(2015);
图1. BaFe2(As1-xPx)2电子态相图。插图为最佳掺杂点x=0.3附近的放大图。其中Ort表示正交相,Tet表示四方相,SC表示超导,AF表示反铁磁, PM表示顺磁。
图2. BaFe2(As1-xPx)2(x=0.29)中反铁磁序与超导存在剧烈竞争,并在x=0.29样品中表现出自旋团簇行为。
图3. BaFe2(As1-xPx)2中结构序参量同样与超导存在剧烈的竞争,在x=0.31处结构相变完全消失。
图4. BaFe2(As1-xPx)2(x=0.25, 0.29)核磁共振结果表明欠掺杂x=0.25样品在奈尔温度TN以下反铁磁相接近100%,但x=0.29样品中即使在低于TN的超导临界温度Tc附近,反铁磁相也仅占50%左右,充分表明最佳掺杂附近反铁磁与超导之间存在相分离。
下载附件>> Phys. Rev. Lett. 114, 157002(2015).pdf
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