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物理所最佳掺杂铁基超导体中子散射研究取得新进展
高温超导机理一直是凝聚态物理领域前沿难题之一。作为继铜氧化物超导体之后的第二个高温超导家族，2008年发现的铁基超导体也是通过在三维反铁磁母体中掺杂电子或空穴载流子来抑制反铁磁长程序而获得超导态。目前的研究普遍认为，自旋涨落在两者的超导电子配对过程中均扮演着重要角色，特征之一表现为在超导样品的磁激发谱中，两者均存在类似超导序参量的自旋共振现象，即某个特征能量附近的磁激发强度在超导态下会被共振增强。此外，两个高温超导家族有着许多共性，同时又存在不少差异。因此，研究铁基超导体的反铁磁自旋激发行为并通过与铜氧化物的对比有助于我们理解高温超导电性。中子散射可以直接探测材料中的自旋序和自旋激发，通过表征材料中自旋动力学的各种特性，可以清晰认识自旋激发与超导电性之间的关系，是高温超导机理研究的重要手段。
最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室戴鹏程研究组在铁基超导中子散射研究中取得新进展，特别针对电子型最佳掺杂的BaFe1.9Ni0.1As2和空穴型最佳掺杂的Ba0.67K0.33Fe2As2铁基超导体在不同能量尺度下的自旋激发进行了详细的研究，并对比研究了母体BaFe2As2的自旋波谱，获得了对“122”型铁基超导体自旋激发谱比较全面的认识。
铁基超导单晶样品的中子散射尤其是非弹性中子散射需要许多大块(尺寸在厘米量级，质量在克量级)的高质量样品，戴鹏程研究组的罗会仟助理研究员和研究生鲁兴业、陈艳超、王猛等人克服各种困难，大量生长了适合于非弹性中子散射实验的系列电子型掺杂BaFe2-xNixAs2单晶样品。样品表征说明它们在厘米尺度下仍然具有很好的结晶性和均匀的超导电性【Yanchao Chen et.al., Supercond. Sci. Technol. 24, 065004 (2011)】。利用这些优质样品，戴鹏程研究组的李世亮研究员、罗会仟助理研究员和博士生鲁兴业、王猛等人联合美国田纳西大学的博士生王渺寅、 Leland Harriger、刘梦舒等人广泛开展了中子散射系列性研究。他们发现，与铜氧化物不同，在欠掺杂BaFe1.925Ni0.075As2和过掺杂BaFe1.85Ni0.15As2单晶中，反铁磁自旋激发具有三维调制性，自旋共振能量在整个超导区间同样具有三维特性;与铜氧化物类似，自旋共振能量和超导临界温度Tc之间也存在良好的线性关系【Miaoyin Wang et.al., Phys.Rev.B 81, 174524 (2010)】。他们进一步研究了磁场下自旋共振模的行为，随着磁场对超导的抑制，自旋共振模强度将削弱，但实验上并未观测到理论预言的自旋为1的塞曼三重分裂【Shiliang Li et.al.，Phys. Rev. B, 84, 024518 (2011)】。他们还仔细研究了母体材料的高能自旋激发，发现尽管低温下BaFe2As2和CaFe2As2的反铁磁自旋波各向异性阻尼不同，但它们同样具有平面内各向异性的最近邻磁交换能和强度相近的次近邻磁交换能，暗示超导电性的形成可能与次近邻磁交换机制有关【Jun Zhao et.al., Nature Physics 5, 555(2009)】。另外，BaFe2As2自旋激发的各向异性在高温下的四方相仍然维持不变，和其他观测手段的结果结合，共同说明向列型电子相可能是轨道和自旋各向异性的起源【L. W. Harriger et.al., Phys. Rev. B 84, 054544 (2011)】。为了进一步研究自旋激发谱在超导样品中的行为，他们在电子型最佳掺杂的BaFe1.9Ni0.1As2单晶(Tc=20K，总质量28克)上同样采用飞行时间谱仪开展了非弹性中子散射研究。通过和母体BaFe2As2对比，他们发现尽管低能自旋激发在最佳掺杂样品中和母体不同，但两者高能自旋激发行为完全类似，并具有相同的总自旋涨落强度。该研究结果还同时表明，铁基超导体和铜氧化物材料母体一样，存在类似强度的自旋涨落，它们主要起源于局域电子之间的强关联效应，并影响了各向异性的低能准粒子和超导电子对的形成。但是，它们的电荷关联效应微观起源并不相同，铜氧化合物母体为电荷转移型莫特绝缘体，而铁基超导体中的电荷关联则主要是由洪德(Hund)耦合造成的。该研究成果发表在Nature Physics上(Mengshu Liu et.al., Nature Physics, DOI:10.1038/NPHYS2268)。
和电子型掺杂的BaFe2-xNixAs2相比，空穴型掺杂的Ba1-xKxFe2As2单晶具有更高的Tc(38K)，但是该体系的大块均匀单晶样品非常难生长，一直以来都缺乏单晶的中子散射研究结果。戴鹏程研究组的博士生王猛和美国田纳西大学的博士后张承林经过不懈努力，终于获得了近20克高质量单晶样品，并首次在最佳掺杂的Ba0.67K0.33Fe2As2单晶上开展了非弹性中子散射实验。该实验确认了以前粉末样品中子散射实验观测到的，在15meV附近的自旋共振模确实在反铁磁波矢上，同时发现空穴型掺杂铁基超导体低能反铁磁激发在ab平面内的各向异性和电子型掺杂样品相比较旋转了90度，即沿着径向伸长而非横向伸长。理论计算表明，这是由于电子型掺杂和空穴型掺杂对费米面产生不同的影响，导致嵌套结果不同。而且自旋共振能量的三维特征要小，但自旋能隙具有更强的三维性，这意味着空穴型材料中超导能隙在c方向存在强烈调制。有趣的是，平面内的反铁磁激发谱形状在不同能量尺度和温度下存在多种变化，说明自旋-自旋关联长度在超导态和自旋共振的形成过程中也发生了演变。该研究成果发表在Scientific Reports上【Chenglin Zhang, Meng Wang et.al., Scientific Reports 1, 115 (2011)】。
物理所向涛研究员、胡江平研究员以及美国橡树岭国家实验室T. A. Maier，美国罗格斯大学Hyowon Park, Kristjan Haule, Gabriel Kotliar等参与了上述研究工作。这些研究得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会和科技部相关项目的支持。
