铁基超导体中的自旋共振及自旋波行为研究

作为继铜氧化物家族之后发现的新高温超导材料- - 铁基超导体激发了超导领域研究者们的极大兴趣。已有的中子散射实验证明，在该超导家族中同样存在反铁磁序，并且其自旋涨落和超导电性密切相关，体现为超导态下在反铁磁波矢附近形成一个自旋共振集体模。但究竟自旋共振起源于巡游电子的空穴和电子费米口袋叠套还是局域磁矩的涨落尚不清楚，铁基超导体中的自旋波和自旋涨落与铜氧化物在细节上有何异同也仍不十分明朗。为进一步探明铁基超导体中自旋涨落在超导配对机制中扮演的具体角色，我们计划在系列Ni掺杂的BaFe2As2单晶样品中开展非弹性中子散射实验研究，对自旋涨落的典型特征- - 自旋共振模进行系统研究，探寻它和超导电性之间的联系，同时也将研究其反铁磁自旋波的具体行为，并和铜氧化物中已有的实验结果进行对比研究。我们将在物理所开展大尺寸、高质量单晶样品的批量生长，并在德、英、法、美等地的中子散射实验站开展实验研究。

在执行本项目的三年期间，我们首先用自助熔剂法成功生长一系列不同掺杂浓度的大尺寸BaFe2-xNixAs2单晶样品。基于这些高质量的单晶样品，我们利用高精度x射线衍射和弹性中子散射对该体系的电子态相图开展了细致研究，发现最佳掺杂点附近存在与超导序共存并直接竞争的短程非公度反铁磁序，相互耦合的结构相变和反铁磁相变在有限温度处突然消失，说明该体系最佳掺杂点附近的量子临界点“被取消”，即电子型122铁基超导体中不存在传统的磁量子临界点。随后，我们利用非弹性中子散射技术描绘了母体样品的自旋波和高温顺磁激发，指出自旋波整体可用有效海森堡模型描述，平面内各向异性的反铁磁交换作用在顺磁态仍保持。通过对不同掺杂样品的低能磁激发的一系列研究，我们发现费米面嵌套的巡游磁性模型可以大致描述低能磁激发的动量分布随掺杂的演变，首次在过掺杂区域观测到非公度的低能磁激发和自旋共振效应，指出自旋共振强度和能量均随临界温度有简单的线性依赖关系。紧接着，我们利用飞行时间中子散射技术全方面描绘了不同电子掺杂浓度的BaFe2-xNixAs2的自旋激发谱，并和空穴型掺杂样品做了横向对比，我们发现电子掺杂主要改变低能激发，对100meV以上的高能激发则不敏感，而空穴掺杂则主要抑制高能磁激发，我们结果揭示磁驱动的铁基高温超导电性必须同时依赖于高能磁激发和低能磁激发。最后，我们利用极化中子散射手段研究了最佳掺杂附近的样品中磁激发的空间各向异性，首次从自旋角度发现在四重对称的高温四方相中存在平面内各向异性的低能自旋激发，这和电磁输运实验看到的平面内各向异性相似，可能来自于轨道各向异性或电子向列相。此外，我们还研究了磁有序和自旋共振模在磁场下的行为、过掺杂样品自旋共振空间各向异性等。和国际国内合作者一起，我们通过点接触隧道谱、电磁热输运等手段针对BaFe2-xNixAs2中的超导能隙、超导涨落、磁通动力学等开展了一系列合作研究，取得了不少进展。总结来说，我们在本项目支持下发表了16篇SCI论文，其中7篇由本项目主要资助且物理所为第一完成单位，包括1篇Nature Communications和3篇Physical Review Letters等高质量论文，论文获得了较高的引用次数。通过本项目支持，培养并毕业一名博士生，圆满完成了项目预定各项指标。