物理所等鐵基超導體中量子臨界現象研究獲進展

　　在凝聚態物理中，通過化學摻雜、壓力、磁場等非溫度因素調控來實現的零溫下相變被稱之為量子相變，如果發生的量子相變屬于二級相變，那么其對應的零溫下參量臨界點就稱之為量子臨界點。理論上認為，量子相變及其相關漲落是非常規超導材料中諸多奇異量子物性的物理根源之一，確認量子臨界點存在與否也成為實驗上的重要挑戰。在鐵基超導體中，其母體中的反鐵磁序可以被化學摻雜所抑制并誘發超導電性，因此人們自然推測在反鐵磁序消失處可能存在量子臨界點，主要理由是該區域附近總是伴隨著非費米液體等奇異量子行為。然而，要取得量子臨界點的決定性實驗證據，必須證明長程磁有序的相變溫度被化學摻雜逐漸連續地抑制到零溫，即體現出零溫下二級相變的行為。

　　近年來，中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)超導國家重點實驗室的戴鵬程、羅會仟、魯興業等針對鐵基超導體的量子臨界現象展開了非常細致的實驗研究。他們首先在電子型摻雜鐵基超導體BaFe2-xNixAs2中針對磁相變和結構相變開展了一系列的中子散射和x射線衍射研究，發現隨著電子摻雜濃度的增加，母體中的長程反鐵磁序在靠近最佳摻雜點附近會退化為短程非公度反鐵磁序，并與超導序之間存在直接競爭關系，這種具有自旋玻璃團簇行為的短程磁有序的出現，導致磁相變溫度TN和結構相變溫度Ts在最佳超導臨界溫度Tc之上即被截止，即磁有序的消失更接近于一級相變而非二級相變，原本可能實現的磁量子臨界點最終“被取消”【H. Q. Luo et.al., Phys. Rev. Lett. 108, 247002 (2012) 及X. Y. Lu et.al., Phys. Rev. Lett. 110, 257001 (2013)】。該發現首次質疑了鐵基超導體中量子臨界點的存在。隨后人們在空穴型摻雜的鐵基超導體Ba1?xAxFe2As2 (A = K, Na) 最佳摻雜附近觀測到了類似的實驗現象，說明量子臨界點在空穴摻雜樣品中也不存在。然而，相比電子或空穴摻雜帶來的局域雜質效應可能會干擾量子臨界特性，同價摻雜的BaFe2(As1-xPx)2體系具有最弱的雜質散射效應，也是最可能存在量子臨界點的體系。的確，一系列相關實驗表明在最佳摻雜BaFe2(As1-xPx)2（x=0.30）附近存在非費米液體、超流密度反常尖峰、電子有效質量發散等奇異物理性質，間接說明量子臨界點存在的可能，但仍然缺乏磁相變相關的決定性實驗證據。

　　最近，物理所超導國家重點實驗室SC8研究組的博士生胡定、張汶良等在研究員陳根富的指導和博士生王培培的幫助下，成功生長了系列摻雜的BaFe2(As1-xPx)2高質量單晶。在此基礎上，SC8組博士生胡定、魯興業、張汶良和副研究員羅會仟、研究員李世亮、戴鵬程等開展了一系列彈性中子散射和高精度同步輻射x射線衍射實驗，并與中國人民大學博士生王朋帥、教授于偉強等進行了核磁共振方面的合作，針對BaFe2(As1-xPx)2單晶樣品的磁相變和結構相變開展了非常深入細致的研究。他們發現同價摻雜BaFe2(As1-xPx)2的體系中磁相變溫度TN總是和結構相變溫度Ts保持一致。盡管長程磁有序和低溫正交相一直保持到了最佳摻雜點x=0.30附近(圖1)，但其序參量與超導態均存在劇烈的競爭(圖2和圖3)。反鐵磁序在x=0.29處已出現自旋玻璃團簇行為，并在x=0.31樣品中突然消失，導致TN和Ts在Tc之上的有限溫度處同時消失(圖1)。核磁共振的實驗數據表明，盡管低摻雜樣品x=0.25中反鐵磁有序相接近100%，但在最佳摻雜邊緣的x=0.29處反鐵磁相僅有50%(圖4)，表明該區域反鐵磁相與超導相之間存在明顯相分離。這與電子型摻雜材料具有極其類似的物理特性，同樣說明同價摻雜的BaFe2(As1-xPx)2體系中反鐵磁相變不可能被化學摻雜持續抑制到零溫，即不存在量子臨界點。該研究再次直接否定了鐵基超導體中量子臨界點的存在，并表明不同化學摻雜之間存在共性，對非常規超導量子相變的研究有著重要參考意義。該項研究結果于4月17日發表在Physical Review Letters上【Phys. Rev. Lett. 114, 157002(2015)】。

　　上述研究工作中的中子散射實驗與加拿大中子研究中心(CNBC)的Zahra Yamani、瑞士散裂中子源(SINQ)的Christof Niedermayer和Markos Skoulatos、德國慕尼黑工業大學及馬普所的MLZ中子源的Robert Georgii和 T. Keller等合作完成，高精度同步輻射X射線衍射實驗與美國阿貢實驗室(APS)的韓飛、Ames實驗室及愛荷華大學的Shree R. Banjara、 A. Sapkota、 A. Kreyssig、 A. I. Goldman等人一起合作完成。

　　該研究工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金項目、中國科學院B類先導項目以及美國相關科學基金等項目的支持。

　　文章詳見：Ding Hu, Xingye Lu, Wenliang Zhang, Huiqian Luo, Shiliang Li, Peipei Wang, Genfu Chen, Fei Han, Shree R. Banjara, A. Sapkota, A. Kreyssig, A.

　　I. Goldman, Z. Yamani, Christof Niedermayer, Markos Skoulatos, Robert Georgii, T. Keller, Pengshuai Wang, Weiqiang Yu, and Pengcheng Dai, Structural and Magnetic Phase Transitions near Optimal Superconductivity in BaFe2(As1?xPx)2, Phys. Rev. Lett. 114, 157002(2015).

圖1. BaFe2(As1-xPx)2電子態相圖。插圖為最佳摻雜點x=0.3附近的放大圖。其中Ort表示正交相，Tet表示四方相，SC表示超導，AF表示反鐵磁，PM表示順磁。

圖2. BaFe2(As1-xPx)2(x=0.29)中反鐵磁序與超導存在劇烈競爭，并在x=0.29樣品中表現出自旋團簇行為。

圖3. BaFe2(As1-xPx)2中結構序參量同樣與超導存在劇烈的競爭，在x=0.31處結構相變完全消失。

圖4. BaFe2(As1-xPx)2(x=0.25, 0.29)核磁共振結果表明欠摻雜x=0.25樣品在奈爾溫度TN以下反鐵磁相接近100%，但x=0.29樣品中即使在低于TN的超導臨界溫度Tc附近，反鐵磁相也僅占50%左右，充分表明最佳摻雜附近反鐵磁與超導之間存在相分離。