铁基超导体AFe2-ySe2(A = K,Tl,Cs,Rb)的核磁共振和缪子自旋共振研究

The physical properties of Fe-based high temperature superconductors have not been fully understood. The superconducting paring symmetry in the newly discovered AFe2-ySe2(A=K,Tl,Cs,Rb) family are still in debate. Meanwhile whether antiferromagnetic phase coexists or competes with superconducting phase are still controversial. We utilize local probes NMR (Nuclear Magnetic Resonance) and MuSR(Muon Spin Rotation/Relaxation/Resonance) to investigate the physical properties of a series of AFe2-ySe2(K,Tl,Cs,Rb) crystals. We deduce the intrinsic static and dynamic spin susceptibility and orbital susceptibility in the superconducting state from the measurement of NMR lineshape, Knight shifts and spin-lattice relaxation rates. In combination with NMR results from the same piece of crystal, we investigate the pairing symmetry through the measurement of penetration depth by muSR. NMR is a site-selective local probe, and muSR has the advantage to determine the volume fraction of ordered phases. We conduct both NMR and muSR measurements in the underdoped region to investigate the coexistence/competition problem between superconducting and antiferromagnetic phases, and searching for the microscopic experimental evidence of pseudogap and spin galss. We investigate the relation between spin fluctuations and carrier concentrations,Fe vacancies and their contributions to the superconducting phase.

铁基高温超导体的一些物理机制还不清楚。在新发现的AFe2-ySe2(A=K, Tl,Cs,Rb)体系中，超导配对对称性问题，反铁磁相和超导相的竞争和共存问题，Fe原子空位和超导的关系等物理问题还存在着争议。我们利用核磁共振(NMR)和缪子自旋共振（MuSR）这两种局域微观测量手段，对AFe2-ySe2体系展开研究。我们通过测量核磁共振谱、奈特位移和自旋-晶格弛豫率，来研究超导态下电子的静态、动态自旋磁化率和轨道磁化率。我们通过缪子自旋共振测量超导体的穿透深度，然后分析比较NMR和muSR数据来研究超导配对对称性。在欠掺杂区域，我们利用核磁共振具有位置选择性的特点以及缪子自旋共振测量有序相体积分数的优势，研究反铁磁相和超导相的共存问题，同时寻找赝能隙和自旋玻璃态存在的实验证据，以及自旋涨落、载流子浓度和铁原子空位之间的依赖关系，及其对超导的贡献。

2008年发现的铁基超导体，最高转变温度Tc高达57K。另外，由于其和铜氧化物超导体在晶格结构和电子相图上有很多相似之处，铁基系列高温超导体的研究，掀起了高温超导的又一轮研究热潮。本项目从2013年1月开始执行，彼时铁基超导体的研究高潮已经过去，但是尚有一些重要的微观问题没有解决。例如，FeSe族超导体的空位问题；反铁磁相和超导相是否共存的问题；相列相(Nematic phase)和超导的关系问题（是竞争还是诱发），等等。项目的目标就是围绕着这些悬而未决的问题，进行铁基超导体的相关热点研究。我们在国家自然科学基金的资助下，按照计划书的内容和步骤，开展了铁基超导体的研究工作。我们在世界上首先运用NMR，详尽地研究了具有代表性的铁基超导体钴掺杂的BaFe2As2体系中，在结构相变温度TS和反铁磁相变温度TSDW之间这个很窄的温度区域的自旋动力学和短程有序问题；运用NMR研究和证实了超导体体系中最末端的BaCo2As2的铁磁属性（q=0和q=pi/2处的自旋涨落）；首次证明了LiFeP中的超导相的形成和反铁磁涨落关系密切。另外，我们拓展了铁基超导体的研究工作。在过去4年里，我们研究，制备了一系列与铁基超导体具有相同结构的新型块材稀磁半导体，该系列稀磁半导体可以做成块材，样品质量易于控制；而且还具有自旋和载流子可以分开调控的优势，对理解传统的稀磁半导体(Ga,Mn)As中的磁学机制有很大的帮助。由于具有了块材的样品，使得我们运用核磁共振和缪子自旋共振研究稀磁半导体的物理性质成为可能。运用这两项有力的微观实验手段，我们在稀磁半导体的研究上，做出了一系列具有原创意义的科研成果。在过去4年中，我们共计发表文章25篇，并且致谢了本基金号。其中，项目负责人作为通讯作者的文章有16篇，与其他人合作发表文章9篇。在这25篇文章中，有2篇文章发表在Physical Review Letters上，有2篇文章发表在Nature Communications上, 有7篇文章发表在Physical Review B上,有5篇文章发表在European Physics Letters上, 有2 篇文章发表在Scientific Reports上, 等等。整体来说，该项目较好地完成了最初设想的目标。