利用中子散射研究过掺杂Pr1-xLaCexCuO4-y的低能自旋激发

The role of spin fluctuations in high-temperature superconductivity has always been one of the hot issues in this area. This project will systematically study the evolution of the low-energy spin excitations in the over-doped and heavily over-doped electron-doped cuprates by the neutron scattering technique. The applicant has already successfully grown high-quality underdoped single crystals and obtained great achievements by neutron scattering when he was a postdoc in the US. In this project, the applicant will utilize the optical floating-zone furnace in the group to grow over-doped and heavily over-doped PrxLaCe1-xCuO4 single crystals and study their properties by neutron scattering. The content mainly includes the study on the neutron spin resonance and spin gap, the search of the induced antiferromagnetic order under field and whether the spin fluctuations will disappear with the disappearance of superconductivity. Part of the research will be carried out by the thermal triple-axis spectrometer constructed by the applicant. Our results will improve our knowledge on the low-energy spin fluctuations in electron-doped cuprates and make great contribution to the relationship between the spin fluctuations and high-temperature superconductivity.

自旋涨落在高温超导电性中的作用一直是该领域中研究的热点之一。本项目将利用中子散射这一技术，详细研究过掺杂和极度过掺杂电子型铜氧化合物的低能自旋激发谱的演化。申请人在美国做博士后期间已经成功生长了该体系的高质量欠掺杂单晶并利用中子散射测量获得了丰硕的成果。本项目中，申请人将利用研究组即将到货的光学浮区炉生长过掺杂和极度过掺杂的PrxLaCe1-xCuO4样品，并利用中子散射进行研究。研究内容主要包括对自旋共振峰和自旋隙的研究、对磁场诱导反铁磁序的探索以及在超导消失时自旋涨落是否消失。本项目的部分研究内容将利用申请人正在负责建造的热中子三轴谱仪进行测量。本项目的结果将完善电子型高温超导体低能自旋激发的信息，为理解自旋涨落与高温超导电性之间的关系作出重要贡献。

高温超导电性研究中最重要的方向之一就是探索与超导临近的反铁磁序和其他电子态的性质。本项目主要对两方面内容进行了重点研究，包括电子型铜基超导体的单晶生长与磁场诱导的反铁磁序，以及铁基超导体中电子向列相。在铜基超导体中，一直存在着一种假设，认为磁量子临界点在磁场抑制超导后会移动。由于电子型铜基超导体上临界场低，很适合进行这一研究。我们改造了新型的光学浮区炉光路，并成功生长了系列过掺杂电子型铜基超导体Pr1-xLaCexCuO4高质量单晶。通过弹性中子散射，我们证明在该体系中不存在理论所预言的磁量子临界点移动的现象。对过掺杂样品的自旋激发测量也正在进行中。在铁基超导体中，存在着面内旋转对称性破缺的电子向列相，对其来源以及其与反铁磁和超导之间的关系一直是研究的热点。我们结合中子散射与单轴压力下的电阻响应，验证了相关理论中很重要的两个预言，即低能自旋激发旋转九十度时强度和关联长度都出现不同，以及存在一个反铁磁与向列转变分别为二级和一级的相。通过详细研究BaFe2-xNixAs中的向列磁化率，我们证明该体系中存在着向列量子临界点，表现出量子临界涨落的一些特征，如发散的向列磁化率、过掺杂区域向列无序态到量子涨落区的过渡，以及(100)方向向列涨落信号等。通过比较各体系的向列磁化率，我们发现这些材料中的有序反铁磁磁矩大小与向列居里常数的倒数成线性关系，表明其磁矩的减小主要来源于向列涨落的增加。据此，我们提出了基于改变向列涨落强度的铁基超导体统一相图。本项目共发表13篇SCI论文，包括三篇Phys. Rev. Lett.（项目负责人均为通讯作者）。