物理学系鲁兴业老师和戴鹏程教授揭示铁基超导母体的磁性本质

北京师范大学物理学系和高等量子研究中心鲁兴业老师和戴鹏程教授与丹麦玻尔研究所的Brian M. Andersen教授等人合作,结合非弹性中子散射和RPA计算,研究了退孪晶铁基超导母体BaFe2As2的本征自旋波谱。这是从实验上第一次观测到退孪晶铁基超导母体的全谱自旋波,理论计算表明该体系的自旋波谱无法通过局域磁矩的海森堡模型来描述,而可以由计入中度电子关联效应的巡游模型来解释。这一研究揭示了铁基超导母体的巡游磁性本质,为理解铁基超导体中的磁性演化及其与超导的关系提供了重要的实验和理论依据。这一研究发表在近日的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 121, 067002 (2018)]。北京师范大学物理学系和高等量子研究中心为第一完成单位。

高温超导电性的微观机制一直是凝聚态物理研究的重要前沿课题。在铜氧化物和铁基高温超导体中,超导电性都可以通过向它们的反铁磁母体中掺入电子或空穴来获得。越来越多的实验证据表明反铁磁相互作用及涨落对超导电性的产生起到了至关重要的作用。因此,理解反铁磁相互作用如何随掺杂量演化及其与超导电性的关系十分重要。要理解反铁磁相互作用的本质,首先必须测量母体的本征自旋波谱。


图 1. 孪晶的形成以及机械退孪晶的方法示意图及实验装置。(a) 铁基超导母体四方相平面结构示意图。(b) 正交相中四种孪晶的示意图(a>b)。(c) 单轴应力退孪晶示意图。(d) 用于非弹性中子散射实验的原位退孪晶装置。(e) 铁基超导母体FeAs层的自旋排布及磁相互作用示意。(f) 倒空间示意图,红色和绿色表示两种孪晶在倒空间中的格点。

铜氧化物高温超导体的母体如La2CuO4为反铁磁莫特绝缘体,其自旋波可以通过一个局域磁矩的海森堡模型来描述,这已经被中子散射实验所证实。对于铁砷超导体,其母体例如AFe2As2 (A = Ba, Sr, Ca)为坏金属。这类材料中都存在一个从四方相到正交相的结构相变,该相变导致了正交相样品中存在方向不同的四种孪晶,如图1所示。在结构相变之下,体系又经历了一个顺磁到反铁磁的相变,进入一种波矢为k=(1,0,1)的共线反铁磁态(图1)。由于孪晶的存在,在单晶样品中测量到的自旋波谱实际上是四种孪晶的混合[来自于 (±1, 0) 和 (0, ±1)的信号会混在一起],这使得人们无法确定体系本征的磁性起源。


图2. 退孪晶BaFe2As2的本征自旋波。(a)-(d) 自旋波谱在能量和特定动量方向平面的投影。(e)-(l)等能量自旋激发在[H, K]平面内的分布。

解决这一问题的关键在于测量退孪晶铁基超导母体的完整自旋波谱。最近,鲁兴业等人发展了原位退孪晶的方法,成功实现了6.4g (16片) BaFe2As2 单晶的原位退孪晶,并采用中子散射测量了BaFe2As2的本征自旋激发谱(图2)。通过将实验数据和海森堡模型及RPA计算进行比较,揭示了铁基超导母体的具有中度电子关联的巡游磁性本质。具体内容详见原文(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.067002)。

文章涉及非弹性中子散射实验在英国卢瑟福阿普尔顿实验室的ISIS散裂中子源的MERLIN飞行时间谱仪上完成,合作者为Helen Walker博士和Adroja Devashibhai博士。鲁兴业老师和戴鹏程教授所在团队主要从事关联电子材料的谱学研究。相关工作得到了学校人才引进项目(戴鹏程)、青年教师科研基金(鲁兴业),以及国家自然科学基金重点项目的资助。

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