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EX1组在Fe基超导体研究方面取得新进展

铁基超导体是目前超导和强关联电子系统研究领域关注的热点之一。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室王楠林、雒建林、陈根富等研究人员组成的课题组继续在这一领域开展深入研究。

超导体的一个主要特征是存在电子配对导致的能隙打开。探测超导能隙对揭示超导配对机理有重要意义。历史上红外光谱是第一个用于探测常规超导体配对能隙的谱学技术。在超导态当入射光子能量小于两倍超导能隙大小时,不能引起电子-空穴对激发,入射电磁波不会被吸收;而在正常态任意小的能量都存在电子-空穴对激发。这样从超导转变温度上下低能光反射谱或电导率谱的变化可以给出超导能隙大小。然而从红外光谱上探测超导能隙并非永远都是直接了当。当超导体中电子散射速率远小于超导能隙时(等价于电子平均自由程远于超导电子对相干长度,即所谓的清洁极限超导体),电子配对引起的在两倍超导能隙附近的光谱变化消失,导致红外光谱上难以分辩出超导能隙。对铜氧化物高温超导体CuO2平面内电子是否处于清洁极限以及红外光谱探测到的超导前后发生的变化是否源于超导能隙打开是高温超导领域长期以来严重争议的课题。对新发现的铁基超导体能否用红外光谱观察到超导能隙打开自然是很受关注的问题。课题组的陈根富研究员用助熔剂方法生长了多个体系的高品质晶体,李岗、胡婉铮、董靖等博士生对生长的Ba0.6K0.4Fe2As2单晶样品进行了细致的低温红外光谱测量,在反射谱和电导率谱上观察到超导能隙打开导致的变化。他们的实验表明铁基超导体是处于脏极限情形,超导态下反射谱具有s波配对特征谱型。从电导率实部损失的面积,他们估算了凝聚的超流电子浓度和London穿透深度,通过与电导率虚部比较,发现损失的面积主要源于低能区域,Ferrell-Glover-Tinkham求和定则在较低能量区域得以满足。这与欠掺杂的铜氧化物高温超导体显著不同。该工作已发表在Phys. Rev. Lett. 101, 107004 (2008)。另外该研究小组先前发表的关于Fe基超导体LaFeAsO0.9F0.1-y和CeFeAsO1-xFx的两篇Phys. Rev. Lett.文章分别被Nature Asia Materials以Superconductors: Birth of the iron age为题目和Nature China以High-Temperature Superconductivity: Warmer than expected为题目选作研究亮点进行报道。

该课题组与美国田纳西大学戴鹏程教授小组继续进行密切合作,利用中子散射研究了多个系统的磁结构和磁激发。他们发现CeFeAsO1-xFx体系母体FeAs面内的磁结构与LaFeAsO体系相同,为条纹(或collinear)反铁磁有序。F掺杂拟制磁有序,超导出现在静态反铁磁长程序完全消失区域。除此此外,实验发现F掺杂减小低温下正交结构长轴方向的距离和对角线方向Fe-As-Fe键角。他们比较了几组已知的Fe-基超导体系,揭示了超导转变温度和Fe-As-Fe键角(因而带宽与库仑排斥能之比)之间的关系。该工作已发表在Nature Materials (Published online: doi:10.1038/nmat2315)。美国斯坦福大学物理系Steve Kivelson以Unity or Diversity为题对该文所确立的电子相图的意义进行了评述,即将在News & View栏目登出。另外他们对SrFe2As2母体单晶的磁激发进行了详细研究,发现除了弹性散射的Bragg峰,磁激发谱在很低能量具有一个自旋能隙、较高能量有自旋波激发,并确定了有效Heisenberg模型的磁交换耦合常数。该工作已发表在Phys. Rev. Lett. 101, 167203(2008)。他们还用非弹性中子散射研究了CeFeAsO1-xFx体系Ce4f电子的晶体电场效应,由于Ce离子是在FeAs超导层旁边,Ce位置的晶体电场激发与FeAs面的电子性质相关联。他们的中子散射实验证明Ce离子的晶体电场激发与FeAs层的长程磁有序和自旋涨落密切相关。该工作也即将发表在Phys. Rev. Lett. 101,(in-press, 2008)。

此外,他们还和国内外多个从事其他技术的小组合作研究了Fe基超导体不同的物理性质。他们独立以及与其他小组合作在Phys. Rev. B, Europhys. Lett., J. Am. Chem. Soc.等杂志发表多篇文章。美国阿贡国家实验室的Michael Norman最近为美国物理学会今年创刊的Physics杂志中“trends”栏目撰写了关于铁基超导体物理研究的短评文章,介绍和评述的研究进展多项源自于该研究组以及和其他课题组合作的工作。他们的研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和科技部相关项目的资助。

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