Nature子刊:西工大曹崇德团队铁基超导重要进展

2018年09月26日 14:07  


西工大理学院曹崇德教授团队与美国莱斯大学戴鹏程教授团队以及德国马普固体研究所、美国标准局、橡树岭国家实验室和中国人民大学的同行合作,研究了Ni掺杂NaFeAs铁基超导体的结构、向列性、磁性和超导特性之间的关系,在高温超导体中发现了奇异的畸变现象,发现向列涨落有助于超导的形成。研究成果以“Local orthorhombic lattice distortions in the paramagnetic tetragonal phase of superconducting NaFe1−xNixAs“为题在Nature Communications(《自然-通讯》)上在线发表,曹崇德教授与戴鹏程教授为文章的共同通讯作者。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05529-2

这是他们继首次在铁基超导附近发现莫特绝缘体(Nature Communications, 2016, 7, 13879; https://www.nature.com/articles/ncomms13879)之后的又一重要研究进展。

超导材料,是具有在一定的低温条件下呈现出电阻为零以及排斥磁力线的性质的材料。超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能,这意味着电能和信息的快速传递。作为一类特殊的重要功能材料,超导材料已广泛用于超导强磁体、高能粒子加速器、磁悬浮运输(如磁浮列车)、受控热核反应、通信电缆和天线、储能器件,重要的精密测量仪表、医疗器械、辐射探测器、微波发生器等。另外,超导材料还是量子通信的关键材料。目前为止,已发现的超导材料其临界超导温度均远低于零度,寻找到室温超导材料是人类的梦想之一,而实现这一梦想的前提是搞清楚超导产生的机理。然而,迄今超导机理尚不清楚。

铁基超导是2008年发现的一类特殊的全新超导材料,以前的理论认为超导性和铁磁性不能共存,因此在那之前铁磁材料被认为不可能产生超导性。因此,铁基超导的发现具有重大意义,铁基超导的机理是十年来物理和材料科学领域的重大研究问题,但迄今这一问题尚未解决。

理解向列序、磁有序和超导性之间的相互作用对于阐明铁基超导体的物理特性至关重要。本工作获得超大NaFe1-xNixAs单晶体,Ni的掺杂量达到惊人的30%;采用中子散射在整个NaFe1-xNixAs相图中探测磁有序和向列序,发现虽然静态反铁磁和向列序都与超导相竞争,但在接近推定量子临界点的过程中这两种有序的起始温度保持良好的分离。在低掺杂样品中实验揭示了在从四方到正交的结构转变温度以上存在持续的正交畸变,并一直延伸到既没有磁转变也没有结构相变的过掺杂区域。这些意想不到的局域正交畸变显示出居里-外斯温度依赖性,在低于超导临界温度Tc以下被抑制,这表明它们是在最佳超导性附近由大的向列磁化率引起的。这一结果解释了在结构转变温度以上观察到的旋转对称性破坏,并证明在最佳超导性附近存在显著的向列涨落。

图1. 超大Ni掺杂NaFeAs单晶体。

图2. 由中子散射测量得到的NaFe1-xNixAs相图及有序磁矩和正交畸变分别与掺杂量和温度的关系。

电子向列涨落在量子临界点附近变得非常大,它们受到局域晶体缺陷和杂质的束缚,表现为本工作实验测量到的局域晶格畸变。最有趣和重要的是,当发生这种情况时,超导性最强,这表明这些向列涨落有助于超导的形成。这一发现不但对提高铁磷酸盐的超导临界温度具有重要意义,而且为更好地设计具有新颖和可预测性质的材料提供了理论依据。

该研究工作得到国家自然科学基金(51471135)、国家重点研发计划 (2016YFB1100101)、陕西省重点研发计划国际合作重点项目(2017KWZD-07)和深圳科技创新计划项目(JCYJ20170815162201821)的支持。

近年来,曹崇德团队已在Nature Communications、Physical Review Letters、Scientific Reports、Physical Review B、Crystal Growth & Design等国际一流期刊发表学术成果。

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