王猛教授团队在铁基超导体电子态相图研究中取得新进展

        高温超导机理是凝聚态物理中研究超过30年的未解之谜，目前研究的主要问题之一是高温超导体系的反铁磁与超导电性关联和电子态相图。常见的高温超导体系电子态相图中，母体材料的反铁磁序随着掺杂量的增加逐渐被压制，进而表现出超导电性。反铁磁序和超导电性之间通常存在竞争并共存的关系，在欠掺杂区域共存、在超导转变温度最高的最佳掺杂区及过掺杂区反铁磁序消失。然而通过非弹性中子散射研究发现反铁磁涨落在过掺杂区依然存在，因此自旋涨落被认为在高温超导电子配对中可能起到了“胶水”的作用。

        112型铁基高温超导体Ca_1-xLa_xFeAs₂具有特殊的磁性-超导相图，其Fe²⁺的反铁磁在过掺杂区域表现出对掺杂浓度的鲁棒性。但是，母体与低掺区域样品无法合成使得该体系电子态掺杂相图无法绘制完整，给人们理解过掺杂区域反铁磁序在超导配对中的作用带来了困难。

图1. Eu_1-xLa_xFeAs₂的电子态相图

        有鉴于此，bat365中子科学与技术中心王猛教授课题组系统研究了具有双磁性离子的112型铁基高温超导Eu_1-xLa_xFeAs₂体系的磁性与超导电性，发现该体系材料由于Eu²⁺与Fe²⁺两种磁性离子耦合表现出交换偏置行为，并绘制出了完整的电子态相图（图1），揭示了在整个超导区域内超导电性与Fe²⁺的反铁磁序共存。本项工作首先克服了样品载流子掺杂均匀性和单晶生长的困难，生长出了系列组分的Eu_1-xLa_xFeAs₂单晶和多晶样品，通过调节载流子浓度调控超导转变温度，得到整个超导区间。相图中的磁性随着掺杂浓度的改变出现丰富的物理特性。在母体和欠掺杂区，反铁磁的Eu²⁺的磁矩发生倾斜，出现了净磁矩。过掺杂的Eu_0.8La_0.2FeAs₂单晶更是表现出典型的Eu²⁺的铁磁行为，表明体系的磁各向异性能随La的掺入而升高。且在过掺杂的Eu_0.79La_0.21FeAs₂多晶样品中，Fe²⁺的反铁磁相变（~81 K）、Eu²⁺的铁磁相变（~33 K）和超导转变（~11 K）同时存在。Eu²⁺的铁磁出现的原因是无磁性La³⁺离子替换磁性Eu²⁺离子调制了Eu²⁺和Fe²⁺之间的各向异性相互作用及Eu²⁺和Eu²⁺之间的RKKY相互作用。进一步，团队成员结合理论计算与⁵⁷Fe穆斯堡尔谱研究仔细分析了Eu_1-xLa_xFeAs₂体系中Fe²⁺的反铁磁序的起源，发现过掺杂区域Fe²⁺的反铁磁序主要来源于局域磁矩的超交换相互作用。从相图中可以看出，在Eu_1-xLa_xFeAs₂体系中Fe²⁺的反铁磁与超导始终共存，这种反常的关系有助于人们在该体系中寻找理解高温超导电性的新线索。这一工作以“Coexistence of ferromagnetism, antiferromagnetism, and superconductivity in magnetically anisotropic (Eu,La)FeAs₂”为题，发表在npj Quantum Materials上，文章的第一作者是bet亚洲登录官方网站于佳博士后。中国物理学会期刊网和量子材料QuantumMaterials以《寸土必争——铁基超导相图》为题，对本工作做了详细介绍。

        中国科学院物理研究所超导国家重点实验室任治安研究员、德国马克斯普朗克固体化学物理研究所勒聪聪博士、兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室李志伟副教授参与了此项工作。本项工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、bat365在线平台网站“百人计划”启动经费资助，同时得到广东省珠江学者计划、bat365在线平台网站测试中心及bet亚洲登录官方网站公共科研平台支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41535-021-00362-1