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物理所鐵基超導體自旋漲落研究取得進展(圖文)

發(fā)布者：眺望科技發(fā)布日期：2022-04-15

非常規(guī)超導體包括銅氧化物高溫超導體、鐵基超導體、重費米子超導體和部分有機超導體等，因不能用傳統(tǒng)的BCS超導理論描述而得名，它們的微觀機理至今是凝聚態(tài)物理中頗具挑戰(zhàn)性的難題之一。傳統(tǒng)的超導機理僅考慮電荷相互作用，即巡游電子與構成材料晶格的原子發(fā)生庫侖相互作用，通過交換晶格振動的能量量子——聲子而發(fā)生兩兩配對，最終相干凝聚成超導宏觀量子態(tài)。而在非常規(guī)超導體中，自旋相互作用顯得尤為重要，超導電性往往起源于對母體中靜態(tài)反鐵磁序的抑制，且在進入超導態(tài)之后，自旋體系動態(tài)上會與超導態(tài)發(fā)生“共振”——在特定的能量和動量處形成一個集體自旋激發(fā)模，可被中子散射直接觀測到，稱中子自旋共振模。該共振模在非常規(guī)超導體中普遍存在，預示自旋漲落可能是配對的媒介。然而，自旋漲落如何參與電子配對，它們在過程中是否存在特殊的“偏好”？這是非常規(guī)超導機理的核心問題。鐵基超導體的龐大家族成員、多能帶電子結構和磁結構的多樣性為非常規(guī)超導機理的研究帶來了良好契機，特別是鐵離子的局域磁矩與費米面附近的巡游電子之間的強烈耦合效應蘊含著豐富的物理。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導國家重點實驗室SC8組李世亮、羅會仟團隊致力于利用非彈性中子散射探究鐵基超導體的自旋動力學，在鐵基超導體的中子自旋共振模方面取得系列前沿進展。例如，在112體系（Ca^0.82La^0.18Fe^0.96Ni^0.04As²）發(fā)現(xiàn)準二維的自旋共振?！綪hys. Rev. Lett. 120, 137001 (2018)】；在1144體系（CaKFe⁴As⁴）發(fā)現(xiàn)c方向奇偶調(diào)制的自旋共振?！綪hys. Rev. Lett. 120, 267003 (2018)】；在12442體系（KCa²Fe⁴As⁴F²）發(fā)現(xiàn)色散朝下的自旋共振模【Phys. Rev. Lett. 125, 117002 (2020)】等。這些研究闡釋了鐵基超導與其他非常規(guī)超導電性的異同，為建立統(tǒng)一的非常規(guī)超導微觀機理奠定了基礎。

近日，該團隊在鐵基超導自旋漲落研究方面又取得了重要進展，確立了超導態(tài)下自旋漲落的普遍擇優(yōu)取向。如圖1（a）所示，鐵砷化物超導體具有三類不同的磁性基態(tài)：面內(nèi)共線的條紋狀自旋密度波（SSDW）、面外共線雙軸c取向的電荷-自旋密度波（CSDW）和面內(nèi)非共線但共面的自旋渦旋序（SVC）。它們可以統(tǒng)一用雙分量的傳播矢量來描述，并在平均場相圖的不同區(qū)域互為鄰居，決定其磁性基態(tài)的關鍵因素在于朗道參數(shù)（g、w、η）的符號和自旋-軌道耦合的具體形式。已有實驗結果表明，前兩者磁有序態(tài)下自旋共振模具有c方向極化的特征，而在晶格對稱性為四方相下的SVC態(tài)的自旋漲落取向尚不清楚。研究通過在CaKFe⁴As⁴中摻入Ni，獲得了T^N=48 K SVC態(tài)與T^c=20 K超導態(tài)共存的樣品，單晶尺寸達到厘米量級，用于非彈中子散射實驗總樣品量為4.426克【圖1（b）、（c）】。該樣品在自旋渦旋磁結構下，自旋雙分量呈90°鎖定，原則上自旋漲落可以是面外的c方向或面內(nèi)a方向，而整個SVC結構面內(nèi)磁矩轉(zhuǎn)動會帶來一個具有手性的殘余序參量，稱自旋渦旋密度波（SVDW）。在如此特殊的自旋-軌道耦合下會出現(xiàn)怎樣的自旋各向異性？非極化中子散射實驗表明，該體系存在類似CaKFe4As4的奇偶調(diào)制雙自旋共振模，共振能量分別為7 meV和15 meV【圖2（a）、（b）】。在SVC態(tài)下，低能激發(fā)會凝聚到靜態(tài)磁序中，形成奇數(shù)調(diào)制的自旋能隙【圖2（c）、（d）】。研究利用極化中子散射剖析了自旋漲落的空間各向異性，如圖3所示，在超導態(tài)和SCV態(tài)共存區(qū)（T=1.5 K）、SVC態(tài)（T=25 K）與順磁態(tài)（T=55 K）下，c方向的自旋漲落Mc均在低能占據(jù)主導。特別是超導態(tài)下，自旋共振峰有明顯的c方向極化行為，而面內(nèi)輕度的各向異性可能與SVDW序有關【圖3（a）-（c）】。溫度依賴測量表明，該c方向為主的自旋漲落持續(xù)到100 K左右，遠高于磁相變溫度【圖3（d）】。該研究確立了SVC態(tài)下鐵基超導體仍具有明顯的c方向擇優(yōu)自旋漲落，推進了鐵基超導體中自旋-軌道耦合效應的研究，指出了不同磁性基態(tài)之間的具體聯(lián)系（圖4）。無論鐵基超導體磁性基態(tài)是何種構型，在進入超導態(tài)之后的自旋共振模中，均具備c方向優(yōu)先的普遍特征。該研究還意味著鐵基超導中電子配對可能有軌道選擇傾向，如c方向擇優(yōu)的自旋漲落來自某些特定電子軌道與局域自旋的強烈耦合，在遠高于超導和磁相變溫度之上就已存在，進入超導態(tài)之后會被迅速增強。

相關研究成果以Preferred spin excitations in the bilayer iron-based superconductor CaK(Fe^0.96Ni^0.04)⁴As⁴ with spin-vortex crystal order為題，發(fā)表在Physical Review Letters上，并被選為Editors’Suggestion。Physics在Synopsis欄目發(fā)表了題為Spin Fluctuations May Drive Iron-Based Superconductivity的專題科普報道。