物理所鐵基高溫超導機理的中子散射研究取得重要進展

　　高溫超導機理一直是凝聚態物理前沿研究中的一個重要課題。在目前已發現的銅氧化物和鐵砷化物兩大高溫超導家族中，母體均具有長程反鐵磁序，隨著空穴/電子摻雜的引入而壓制靜態反鐵磁序并出現高溫超導電性，而動態的反鐵磁漲落則存在于整個相圖區域。這一圖像促使人們相信反鐵磁漲落在高溫超導微觀機理中扮演著不可或缺的角色，但如何理解磁激發與超導電性之間的關系卻存在許多疑問。解決這一問題的關鍵在于對整個相圖不同摻雜區域的整體磁激發譜進行詳細的對比研究，而最合適的研究手段之一就是非彈性中子散射。近年來，利用先進的飛行時間中子散射技術，人們已經能夠測量出材料中磁散射截面的絕對值在整個動量-能量空間的分布，隨著鐵基超導體的發現和大尺寸、高摻雜單晶樣品的獲得，高溫超導機理的中子散射研究獲得了前所未有的良好契機。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)的戴鵬程研究組自鐵基超導體發現以來，針對該新高溫超導家族中的磁有序和磁激發開展了系統性的中子散射研究。他們對122型鐵基超導體BaFe2As2中不同摻雜方式和摻雜濃度的樣品進行了飛行時間中子散射研究，與多名合作者一起測定了母體 BaFe2As2中自旋波在海森堡模型下的磁交換能[L. W. Harriger et.al., Phys. Rev. B 84, 054544 (2011)]，電子型最佳摻雜BaFe1.9Ni0.1As2高能自旋激發譜中的關聯電子效應 [M. S. Liu et al., Nat. Phys. 8, 376 (2012)]，空穴型最佳摻雜Ba0.67K0.33Fe2As2低能自旋激發譜中的巡游電子磁性[C. L. Zhang et.al., Sci. Rep. 1, 115 (2011)]，以及電子型欠摻雜和過摻雜BaFe2-xNixAs2(x=0.096，0.15, 0.18)中的整體磁激發譜[H. Q. Luo et al., Phys. Rev. B. 88, 144516 (2013)]。由于在鐵基超導體中子散射研究中的重要貢獻，戴鵬程研究員應邀在Nature Physics上撰寫綜述[P. Dai et.al., Nat. Phys. 8, 709 (2012)]，他的研究團隊也被邀請參與編寫多本鐵基超導專著。

　　最近，戴鵬程研究組的博士生王猛、魯興業，羅會仟副研究員，張笑天博士后與美國萊斯大學/田納西大學的張承林博士后、博士生宋宇、王渺寅，北京師范大學的談國太副教授等合作，利用飛行時間中子散射技術，詳細對比研究了122鐵基超導家族中空穴型最佳摻雜Ba0.67K0.33Fe2As2、電子型極度過摻雜BaFe1.7Ni0.3As2和空穴型極度過摻雜KFe2As2的整體磁激發譜。他們綜合已有的研究結果，和不摻雜的母體自旋波進行了對比。一方面，隨著電子摻雜濃度的增加，低能磁激發被劇烈改變，在最佳摻雜(Tc=20 K)附近形成和超導電性密切相關的自旋共振峰，并在過摻雜區迅速減弱，直到在極度過摻雜、不超導的BaFe1.7Ni0.3As2(Tc=0 K)中，50 meV以下的低能磁激發完全消失，而100 meV以上的高能磁激發則一直保持不變;另一方面，隨著空穴摻雜濃度的增加，高能磁激發被抑制，在空穴型最佳摻雜 Ba0.67K0.33Fe2As2(Tc=39 K)中，磁激發譜權重從高能轉移到了低能，在低溫下形成很強的自旋共振峰，到了空穴型極度過摻雜KFe2As2(Tc=3 K)中，20 meV以上的高能磁激發完全消失，超導電性僅在3 K以下存在。 進一步，他們根據Ba0.67K0.33Fe2As2中超導態和正常態下的整體磁激發譜差異計算了磁交換能的變化量，發現其遠大于超導凝聚能，和銅氧化物及重費米子等非常規超導體非常類似，即反鐵磁漲落足以提供超導凝聚所需要的能量。通過和美國羅格斯大學Zhiping Yin博士, Kristjan Haule, Gabriel Kotliar教授以及橡樹嶺國家實驗室T. A. Maier教授等在理論分析和DMFT、RPA數值計算上的合作研究，他們總結出磁激發驅動的鐵基高溫超導電性圖像中必須同時具有來自局域磁矩的高能自旋漲落和來自于巡游電子的低能磁激發，兩者之間的耦合可能是形成高溫超導電性的關鍵。該圖像可以類比于傳統BCS超導體，其超導轉變溫度依賴于德拜頻率、費米面附近電子態密度和電子-聲子耦合強度等。該結論為鐵基高溫超導機理的微觀理論模型提供了明確的實驗基礎和研究方向，對理解高溫超導電性有著重要意義。該項研究結果發表在近期的Nature Communications上【詳見Nature Communications 4，2874 doi: 10.1038/ncomms3874 (2013)】。

　　上述研究工作中的飛行時間中子散射實驗在英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室ISIS散裂中子源的MERLIN和MAPS譜儀上與E.A. Goremychkin及T.G. Perring教授合作完成。該研究工作得到了科技部973項目、國家自然科學基金項目以及美國相關科學基金等項目的支持。