铁基Eu-112体系的高质量单晶生长、相图和超导与磁性共存研究

Since the first report of iron-based high-temperature superconductivity in 2008, researchers have been focusing on the exploring of new iron-based superconductors and the understanding of the electron pairing mechanism for its high temperature superconductivity. The recently discovered Ca-112 iron-based superconductors, with some very special properties, such as low structural symmetry, coexistence of superconductivity and antiferromagnetism on the FeAs layer, etc., is a good research object but hindered by its unstable lattice structure. We discovered a new 112-type iron-based compound EuFeAs2 very recently, which is a structurally stable and more complex system of the 112-type. In this project, we will grow the large size high-quality Eu-112 single crystal samples with various chemical doping, determine the exact phase diagram for crystal structure, magnetism and superconductivity vs. carrier doping, and study the origin and mutual interaction for the coexistence of superconductivity and magnetism. We will collaborate with other related research groups for the systematic study of superconducting properties in this new Eu-112 system by utilizing a variety of advanced measurement methods, and provide a new research platform to understand and reveal the superconducting pairing mechanism for the iron-based superconductors.

从2008年铁基高温超导首次报道至今，人们一方面不断探索新的铁基超导材料体系，一方面试图破解其高温超导电子配对的关键物理机制问题。近期新发现的Ca-112型铁基超导体，具有一些非常特别的性质，如晶格的低对称性、FeAs面上超导与反铁磁的共存等，是一个很好的研究对象，然而其晶格结构不稳定导致掺杂成相区间很窄而无法深入研究。我们最近发现了新的112型铁基化合物EuFeAs2，这是一个结构稳定且更为复杂的112体系。本项目中我们将探索生长Eu-112不同化学掺杂体系的大块高质量单晶样品，确定该体系准确的结构、磁性与超导随载流子变化的相图，研究其超导和磁性共存的根源及相互作用，并和国内外其他铁基超导研究小组密切合作，利用多种先进测量手段对该体系的超导性质进行系统研究，为理解和揭示铁基超导电子配对的相互作用机制问题提供一个新的研究平台。

铁基112超导体系具有一些独特的性质，如晶格的低对称性、存在As链层、超导与反铁磁的共存等。在我们发现了一个新的具有稳定母体结构的Eu-112体系之后，对该体系的高质量单晶生长、多种化学掺杂规律、磁性与超导的竞争和共存以及详细的超导相图进行了系统的研究。具体内容包括：.1. 对EuFeAs2的多晶合成和单晶生长方法进行了系统的研究和优化，发现CsCl 是生长EuFeAs2 单晶的良好助熔剂；利用单晶对其母体化合物的晶体结构进行了详细表征，对其低温下的电磁热等输运性质进行了详细测量，发现EuFeAs2在106K、93K和45K的特征温度下存在结构相变、Fe的反铁磁相变、Eu的反铁磁相变等。.2. 对EuFeAs2的Eu位稀土掺杂进行了详细研究，分别研究了La掺杂和Pr掺杂对其物性的调控规律，发现两者掺杂都可以导致超导的发生，La掺杂最高Tc为11K，稀土掺杂引入的载流子都可以部分抑制Fe的SDW相变从而诱发超导，但超导体积分数很低。.3. 对EuFeAs2的Fe位掺杂进行了详细研究，主要利用Co掺杂引入一个额外的电子载流子 ，发现可以快速抑制Fe的SDW相变从而诱发超导，最高Tc达到28K，但对Eu的反铁磁相变没有影响，相图中存在完整的共存区域。.4. 为了完全压制体系中的反铁磁态，我们研究了EuFeAs2中Eu位和Fe位的共掺杂效应，发现在Pr和Co共掺杂的情况下，可进一步提高Tc到最高30.6K，并获得了超导体积含量约为64%的体超导样品Eu0.9Pr0.1Fe0.93Co0.07As2，绘制了不同掺杂下的包括超导与反铁磁互相竞争与共存的相图。.此外，在长期坚持的过渡元素化合物、层状材料体系的探索中也发现了一些新型超导材料。