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物理所在镧氧铁砷中发现新的高温超导相

作者:澳门葡亰娱乐场手机版    发布时间:2020-01-03 05:35     浏览次数 :133

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LaFeAsO1-xFx的相图。AF,SCI,SCII分别表示反铁磁,超导区I和超导区II。超导转变温度Tc由磁化率转变确定,结构相变温度Ts和Xs由核磁共振实验和电镜实验确定。

在过去的一个世纪里,超导吸引了无数的物理学家和材料学家的兴趣。这不仅因为超导现象所包含的物理丰富,而且因为其在工业上的应用前景广阔且逐渐步入人们的日常生活。目前发现的高温超导体有两大家族,一是铜氧化物,另一是铁基化合物。共同的特点是,高温超导都是出现在反铁磁有序态附近的。因此,很多人认为,磁涨落促使了这些材料中的电子配对。长期以来,高温超导的探索都是在这样的指导思想下进行的。

铜氧化物高温超导体是常压条件下迄今转变温度最高的超导材料体系,对它的微观机制破解入选Science 125个重大科学难题,目前依然是凝聚态物质科学最大的谜团和挑战之一。由于铜基超导体很强的Jahn Teller效应和层间库伦作用,沿c方向的铜氧键长大于铜氧平面内的键长,导致基本电子构型的铜氧六配位八面体呈现拉伸状态。对于拉伸型的配位结构,铜的3d x2y2 轨道位于3z2-r2轨道之上,且和面内氧的2P轨道强烈杂化。这个图像构成对铜基超导材料认识的出发点(参阅:Keimer et al Nature 518, 179~186 (2015))。

铁基超导家族中的两个亚族,分别以结构类似的 FeSe4 和 FeAs4 四面体层作为各自的超导基元。然而典型的 FeSe 基超导体 AyFe2-xSe2母体相和正常态的实验表现,却与 FeAs 基体系迥异,导致质疑这两大铁基体系的高温超导电性是否有共同物理起源。澄清这一问题对探讨各类高温超导体物理机制意义重大。但实验上困难在于,在 AyFe2-xSe2 中反铁磁绝缘 245 相往往与超导相共生,以致妨碍对本征物性的观测。2014年 FeSe 基新高温超导体 Li0.8Fe0.2OHFeSe 报道后,相关实验研究出现转机。

在过去的一个世纪里,超导吸引了无数的物理学家和材料学家的兴趣。这不仅因为超导现象所包含的物理丰富,而且因为其在工业上的应用前景广阔且逐渐步入人们的日常生活。目前发现的高温超导体有两大家族,一是铜氧化物,另一是铁基化合物。共同的特点是,高温超导都是出现在反铁磁有序态附近的。因此,很多人认为,磁涨落促使了这些材料中的电子配对。长期以来,高温超导的探索都是在这样的指导思想下进行的。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的科研人员在远离反铁磁有序的铁基材料中发现了新的高温超导相。而且,超导的最高转变温度Tc超过了同物质在磁有序附近的超导相,达到了41K。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室研究员靳常青与合作者长期开展铜基超导材料新结构的设计和高压合成,研究对象集中在铜和碱土氧化物体系,这是能够形成铜基超导基本结构的最简单化学组分。选择这个简单组分的独到之处在于既可聚焦产生铜基超导的核心要素,又可回避铜基超导材料在常压制备需要的稀土、铋、汞等昂贵和有毒元素,有助于新材料的进一步应用拓展。运用高压高温制备技术,他们相继发现了铜系(Physica C 223, 238 (1994); Phys. Rev. B 61, 778(2000)); 中国科学48, 87405 (2018))、顶角氧掺杂系(Nature 375, 301(1995); Phys. Rev. B 74 , 100506(R) (2006);Phys. Rev. B 80, 94523 (2009)(Editors Suggestion))等具有新结构的铜基超导材料体系。其中铜系超导材料的Tc可高达118K,并入选《科学通报》纪念液氮温区超导材料发现30周年纪念专辑的封面(科学通报 62, 3947),团队20余年围绕铜基超导新材料的系统研究在国际上已形成自己的特色。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室超导国家重点实验室 SC4 组的研究员董晓莉,与 SC2 组金魁及清华大学教授张广铭合作,在新高温超导体系 Li1-xFexOHFe1-ySe 研究中取得新进展。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的科研人员在远离反铁磁有序的铁基材料中发现了新的高温超导相。而且,超导的最高转变温度Tc超过了同物质在磁有序附近的超导相,达到了41K。

铁基化合物超导体最初由日本东京工业大学的Hosono研究组于2008年发现。其母体材料LaFeAsO存在反铁磁有序相,用氟元素取代一部分氧元素之后,磁有序被抑制,超导出现。超导转变温度Tc随氟掺杂量x而变化,形成一个拱形的超导区域,x只能达到0.2。当x = 0.06时,样品的Tc最高,达到27 K,这时存在很强的低能自旋涨落。这自然导致人们相信,在铁基超导体中,超导是由自旋涨落引起的。

通过十万巴级超高氧压合成技术的创新(MRS Advances 2, 2587 (2017)),靳常青指导研究生李文敏制备发现了一类全新的超导材料Ba2CuO4-y。这是目前唯一呈现压缩型铜氧局域配位的铜基超导材料。对于压缩型配位构型,铜的3d 3z2-r2轨道将位于x2-y2轨道之上,显著有别于传统拉伸型配位的轨道序。X射线吸收谱实验表明,Ba2CuO4-y超导体处于超过掺杂区,对应传统铜基超导体的非超导相区。现有主流理论认为,压缩型配位构型、超过掺杂载流子浓度、以及可能的特殊的面内结构都不利于超导,Ba2CuO4-y仍然表现出了具有高达73K的超导转变温度。与基本晶体结构相同,具有正常轨道序的La2CuO4体系相比,Ba2CuO4-y的Tc提高了80%以上。这些实验现象表明,不同于以往传统类型,Ba2CuO4-y属于一类全新的铜基超导材料。以上工作近期发表在《美国国家科学院院刊》上(W. M. Li et al. PNAS 116, 12156 (2019))。美国科学院院士、巴丁奖得主,著名超导理论专家Scalapino教授以《高温超导家族不同分支》(A different branch of the high Tc family)为题,在同期撰写专题评介。美国国家标准局教授Q.Z.Huang、德国马普物理化学研究所教授Z.W.Hu、美国哥伦比亚大学教授Uemura在中子衍射、光电子吸收谱和uSR谱等实验表征上给予密切合作,美国佛罗里达大学教授Stewart、日本东京大学教授Uchida参与了实验结果讨论;研究工作得到国家重大研发计划和基金委重大国际合作项目的资助。

基于水热合成的一系列粉末样品,首次建立的高 TC 体系 Li1-xFexOHFe1-ySe 完整相图表明,无论是反铁磁 SDW 相区还是超导相区,其物性特征均与 FeAs 基体系极为相像。实验结果揭示 FeSe 基和 FeAs 基高温超导体实际上具有相似的电子相互作用背景,因此它们的高温超导电性具有共同物理机制。相关结果发表在 JACS 137, 66。

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