《物理评论快报》 报道物理学院量子材料科学中心李源研究员及合作者对于铁基超导材料Sr1-xNaxFe2As2超导机制的研究
当今凝聚态物理研究中最重要的问题之一是揭示磁性材料中的高温超导机制。带有自旋的电子常被认为是局域在磁性离子实周围的，而形成电流的电子则被视为在晶格中巡游。但事实上这两者均为同一粒子。因此，这对立的两面如何共同协助超导形成，是一个非常有趣的问题。这种“非常规”的机制与铜基超导体、铁基超导体以及重费米子超导体都密切相关。
在具有多个电子轨道的体系，例如铁基超导材料中，电子自旋和轨道自由度的相互作用使得这个问题更为复杂。李源研究员与合作者之前的研究报道已经揭示了自旋-轨道耦合对材料的磁性性质有非常重要的影响。他们的实验同时还表明铁基超导材料中的磁性具有巡游与局域的双重特性。这并不是一个完全意外的结果，因为已有的一些理论研究也说明铁基超导体可以被所谓“洪德金属”的模型描述。不过自旋-轨道耦合以怎样的方式影响铁基材料中的超导机理，依然是一个未知的问题。
现在，李源研究组及合作者采用基于飞行时间原理的中子散射谱学技术，发现在一种铁基超导材料中，有一类特定的磁激发对超导的形成至关重要，其作用机理与材料中的自旋-轨道耦合效应密切相关。这项工作于2019年1月4日发表在《物理评论快报》上。
这项研究针对的是近年来发现的空穴掺杂的“122”体系铁基超导材料中新奇四重对称性磁相。在传统的二重对称性磁相中，电子自旋指向在晶体的ab面内，而在这种新发现的磁相中电子的自旋指向沿晶体的c方向。有这种四重对称性磁相的晶体中超导温度也被压制。该项研究旨在探索超导的压制与四方磁相中探测到的谱学特征的联系。基于这一目的，研究组瞄准了Sr1-xNaxFe2As2这一种有鲁棒性的四方磁相，且较易制备大单晶的铁基超导材料。
实验发现，在材料发生从二重对称性（图1a, T = 80 K）转化为四重对称性（图1b, T = 20 K）的相变后，低能的自旋激发发生了显著的变化。根据中子散射截面与散射几何的关系，在L = 1处测量到的信号中c方向的磁激发有更大的比重，而在L = 3处则可探测到更多的ab面内的磁激发。图1d显示，当温度从80 K降到20 K后，由于自旋的方向发生偏转到了c方向，在低能激发中将难以沿c方向时自旋的长短发生改变，因此低能磁激发中c方向的自旋激发被抑制。实验还发现了重要的一点：超导相（图1c, T = 6 K）的自旋激发相对非超导相的自旋激发有轻微的改变，这说明材料超导与的磁性质相关联。进一步的分析（图2）发现，这种改变主要发生在L = 1的位置，这说明在四重对称性磁相中，尽管c方向的磁激发被抑制，但它们仍然是与超导关系最密切的磁激发。这项结果揭示了在多轨道序洪德金属中实现高温超导的一个“兼容性”要求：局域的磁矩必须能够为巡游电子提供后者在实现超导配对过程中所需的磁激发。由于在四重对称性磁相中，该要求恰好不被满足，所以超导温度被抑制。
量子材料科学中心博士研究生郭见青和岳莉为该项工作的共同第一作者。相关的中子散射实验是由日本的MLF, J-Parc用户实验项目支持完成的。这项工作由量子材料科学中心李源研究组和张焱研究组合作完成。研究课题得到了中国自然科学基金委和科技部项目的资助。
References:
[1] C. Wang et al., Phys. Rev. X 3, 041036 (2013).
[2] M. Ma et al., Phys. Rev. X 7, 021025 (2017).
[3] Z.P. Yin et al., Nat. Mater. 10, 932 (2011).
[4] J. Guo, L. Yue et al., Phys. Rev. Lett. 122, 017001 (2019).
Figure 1. (a-c) Imaginary part of dynamic spin susceptibility measured at different temperatures. (d) Imaginary part of dynamic spin susceptibility integrated over 4-8 meV based on the data in (a) and (b).
Figure 2. (a-b) Constant-Q cuts measured at (0.5, 0.5, 1) and (0.5, 0.5, 3), with background subtracted. (c-d) Intensity difference between 6 K and 20 K at L = 1 and 3.