物理所等鐵基超導體的量子臨界特性研究取得新進展

　　非常規超導體中所呈現奇異量子物性的物理根源常常認為來自于零溫下的量子相變及其相關漲落。在鐵基超導體中，通過對反鐵磁母體進行載流子或等價位摻雜均可抑制反鐵磁性，并在磁性區域邊緣誘導出最佳超導電性。因此，在反鐵磁區和順磁區的零溫邊界處很可能存在磁量子臨界點，在其附近的有限溫度區域會因量子臨界特性而影響正常態和超導態物性，形成非常規超導電性。以“122”型鐵基超導體系為例，相關研究表明在電子型摻雜的Ba(Fe1-xCox)2As2和等價位摻雜的BaFe2(As1-xPx)2體系中就很可能在最佳摻雜點附近存在量子臨界點。進一步要得到鐵基超導體中量子臨界點的有力證據，關鍵問題在于需要仔細描繪出體系的電子態相圖，尤其是在反鐵磁區域邊緣和最佳摻雜點附近的相變特征。

　　近年來，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌) 超導國家重點實驗室的戴鵬程研究員及其團隊在電子型摻雜鐵基超導體BaFe2-xNixAs2中針對量子臨界問題開展了一系列的中子散射研究。他們發現隨著電子摻雜濃度的增加，母體中的長程反鐵磁序在靠近最佳摻雜點附近會退化為短程非公度反鐵磁序，并與超導序之間存在直接競爭關系，并且最佳摻雜點附近不存在傳統的磁量子臨界點【Phys. Rev. Lett. 108, 247002 (2012)】。這一研究結論看似與Ba(Fe1-xCox)2As2和BaFe2(As1-xPx)2等體系的研究結果截然相反，也針對量子臨界點在非常規超導物性中的作用提出了疑問。

　　為深入探究鐵基超導體中量子臨界問題的物理根源，最近，戴鵬程研究組的博士生魯興業、張睿和副研究員羅會仟等與加拿大多倫多大學的Hlynur Gretasson博士、Young-June Kim教授等人綜合利用彈性中子散射和同步輻射高精度X射線衍射技術，繼續對電子型鐵基超導體BaFe2-xNixAs2的磁相變和結構相變開展了深入的合作研究，獲得了目前電子型“122”體系在最佳摻雜點附近最為詳細電子態相圖(圖1)。

　　他們發現，盡管母體中結構相變溫度Ts和反鐵磁相變溫度TN是重合的，進一步電子摻雜的引入使得系統進入欠摻雜區域，Ts和TN逐漸下降并分開，溫度差距也逐漸增大，而后兩者又逐漸趨近，并有在最佳摻雜附近形成“雙量子臨界點”的趨勢(即兩者在同一摻雜點趨于零溫，見圖2)。然而，由于電子摻雜效應同時誘導了短程非公度反鐵磁序的出現，使得系統尚未抵達相圖中零溫處便中止了結構和反鐵磁相變，表現為 Ts和TN在最佳摻雜點x=0.1附近的有限溫度(Tc+10K)處再次重合到同一溫度點 (圖1插圖)，且反鐵磁矩在x=0.108附近徹底消失(圖3)。即短程非公度磁有序在最佳摻雜點附近最終“取代”了零溫下的量子臨界點，而將相變點推高至有限溫度處。在該相區內，結構畸變盡管在超導轉變溫度Tc之下受到抑制，但直到低溫都一直存在(圖4)，并且磁矩和結構畸變有著相似的溫度依賴行為，表明體系中存在著磁彈性耦合。據此，美國萊斯(Rice)大學的斯其苗教授和Andriy Nevidomskyy教授基于Landau–Ginzburg相變理論提出了鐵基超導體中量子臨界的唯象物理模型。他們利用該模型成功解釋了因磁彈性耦合而導致雙量子臨界點的物理過程及其“被取代”的物理根源。該模型同樣適用于描述等價位摻雜材料中的量子臨界特性，從而統一解釋了鐵基超導中量子臨界特性的物理起源，對非常規超導體中量子臨界問題的研究有重要意義。該項研究結果發表在近期的Physical Review Letters上【Phys. Rev. Lett. 110, 257001 (2013)】。

　　上述研究工作中的高精度X射線衍射實驗與加拿大多倫多大學的Hlynur Gretasson博士、Young-June Kim教授和美國布魯克海文國家實驗室NSLS同步輻射光源的劉雪榮博士合作完成，中子散射實驗與瑞士散裂中子源(SINQ)的Mark Laver，美國橡樹嶺國家實驗室HFIR中子源的Wei Tian，以及加拿大中子研究中心(CNBC)的Zahra Yamani等合作完成，理論模型和分析與美國萊斯(Rice)大學的斯其苗教授和Andriy Nevidomskyy教授合作完成。

　　該研究工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金青年基金項目以及美國和加拿大相關科學基金等項目的支持。