自旋梯材料中关联电子态的中子散射和输运研究

One of the key issues on the mechanism research of High temperature superconductivity (high-Tc) in correlated materials is establishing the microscopic theory model based on two dimensional (2D) many-body quantum system, to fully describe the complex quantum orders and their behaviors. Another feasible way is exploring similar physics and mechanism in other quantum materials with lower dimensional magnetism for reference. Thus we propose to study two typical spin ladder materials Sr14-xCaxCu24O41 and BaFe2S3 with quasi-1D magnetism, the former has many exotic states similar to copper-oxide high-Tc, such as Zhang-Rice singlet,spin-gapped metallic state, charge-density-wave state and charge filling control Mott transition, while the later has a striped-type magnetic order and bandwidth control type Mott transition, similar to the iron-based superconductors. Both of them exhibit unconventional superconductivity under high pressure, qualifying as one of the best reference objects for mechanism research of high-Tc. Based on the rich experience of the applicant on the crystal growth, characterization, transport and neutron scattering experiment researches of copper-oxide and iron-pnictide superconductors, we will study the magnetic phase transition, spin waves, spin gaps and charge order in spin ladder materials both by neutron scattering and transport experiments. Novel quantum states will be also explored under chemical doping, high pressure and magnetic field. Our results will give some experimental clues for the microscopic theory of high-Tc.

高温超导电性的微观机理研究关键在于建立合适的二维量子多体模型，以准确描述其中多种宏观量子有序态及其复杂行为。在结构更简单的一维磁性材料中探寻类似的物理，是另一种研究高温超导机理的途径。本项目拟以两类准一维自旋梯材料Sr14-xCaxCu24O41和BaFe2S3为研究对象，前者具有类似铜基高温超导中如Zhang-Rice单态、自旋能隙、电荷密度波、电荷填充型莫特转变等新奇量子现象，后者则有类似铁基超导的条纹反铁磁结构和带宽型莫特绝缘转变等，且均在高压下呈现非常规超导电性，是高温超导机理研究的绝佳参照。基于项目申请人长期在铜基和铁基超导单晶生长、物性测量、输运和中子散射实验研究中积累的丰富经验，我们将结合中子散射和输运测量，针对自旋梯材料中的磁相变、自旋波、自旋能隙、电荷有序等复杂量子行为开展深入研究，并通过掺杂、压力和磁场等量子调控手段探索新奇量子态，为高温超导微观机理的建立提供实验线索。

本项目拟以两类准一维自旋梯材料Sr14-xCaxCu24O41和BaFe2S3为研究对象，前者具有类似铜基高温超导中的诸多新奇量子现象，后者则有类似铁基超导的条纹反铁磁结构和带宽型莫特绝缘转变等，且均在高压下呈现非常规超导电性，是高温超导机理研究的绝佳参照。在4年的项目执行期内，考虑各种未能克服的实际困难，研究内容在项目计划任务基础上有部分调整，我们在两类自旋梯材料、磁性外尔半金属材料和铁基超导材料等取得了一系列重要研究进展。针对铁基自旋梯BaFe2S3材料，我们基于粉末样品的自旋涨落谱，成功获得了该体系各种磁性交换作用参数。基于母体和K掺杂的单晶样品，开展了低能自旋激发的温度依赖行为研究，发现其具有反常临界散射行为；针对铜基自旋梯材料Sr14-xCaxCu24O41，我们对比研究了SrCa13Cu24O41和Sr14Cu24O41的自旋激发谱，揭示了掺杂样品的自旋激发具有无能隙的二维特性，同时研究了掺杂样品的声子色散关系等；针对新近发现的磁性外尔半金属Co3Sn2S2，我们详细研究了其低能自旋波和自旋能隙，首次发现了外尔费米子和自旋波的相互作用。由于强自旋-轨道耦合效应，材料晶体结构对外部磁场有强烈的各向异性响应。在Ni掺杂样品中，自旋波和自旋能隙与母体存在类似行为；针对几类新型的铁基超导体，如112、1144、12442体系等，我们详细研究了其中子自旋共振模，首次发现沿L方向同时存在奇数和偶数调制模式，在准二维强超导耦合情况下，出现色散朝下的行为，这些结果建立了铁基超导和铜基超导之间的区别和联系，同时对现有理论模型提出了挑战。在本项目的支持下，合计发表SCI论文22篇（项目负责人为通讯作者11篇），其中包括Physical Review Letters 6篇， Physical Review B 5篇，相关成果多次被国内外同行报道和引用。项目执行期间，项目负责人罗会仟获得国家自然科学基金优秀青年基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金、北京市自然科学基金杰出青年基金等资助，在国内国际学术会议上多次报道相关研究进展，参与项目的4名博士研究生均顺利完成学业并赴国外继续深造博士后。