“122”型铁基超导体中磁有序和自旋动力学的中子散射研究

High-temperature superconductivity (high-Tc) has been an important issue in condensed matter physics. The iron-base superconductor, named the second high-Tc family besides copper oxides, may also share the same mechanism from spin fluctuation mediated pairing of electrons. Thus, it is very important to well study the magnetic order and spin dynamics in iron-based superconductors. Neutron scattering is a unique technolegy for such study. Because of the support from our previous project, we are able to grow large-sized single crystals of iron-based supercondutors for inelastic neutron scattering experiments, and accumulate plenty experience in these studies. In this project, we will continue the mechanism research on 122-type iron-base superconductor by neutron scattering on different chemical doped samples from electron , impurity and isovalent elements. The evolution of magnetic order and spin excitations spectrom will be explored extensively for understanding the magnetc origin of iron-based superconductivity as well as high-Tc.

高温超导微观机理一直以来都是凝聚态物理最前沿的关键问题，近年来发现的铁基超导体作为继铜氧化物之后的第二类高温超导家族，很可能具有类似的超导电性的起源——借助自旋涨落形成超导电子配对，因此研究铁基超导体中磁有序和自旋动力学的演化规律对理解高温超导电性有着重要意义。中子散射在研究凝聚态物质的磁有序和磁激发中具有独一无二的地位，而在之前青年基金项目研究基础上，我们已经能够成功生长符合非弹性中子散射需求的大尺寸铁基超导单晶样品，并积累了关于铁基超导中子散射研究的丰富经验。为此，我们计划继续发挥中子散射尖端科学技术的优势，通过电子掺杂、杂质引入和同价掺杂等手段调控“122”型铁基超导体系反铁磁性和超导电性，探索其磁有序和自旋激发谱随掺杂的演变，深入理解铁基超导电性的磁性起源，为高温超导微观机理的建立提供重要实验基础。

本项目为青年-面上连续资助项目，拟在青年科学基金项目“铁基超导体中的自旋共振及自旋波行为研究”（11004233）基础上，进一步针对不同掺杂环境下的“122”型铁基超导材料中的磁有序、磁相变、超导电性、自旋激发开展深入系统的中子散射研究。通过4年期的项目执行，我们顺利完成了所有项目计划任务，并取得了一系列重要进展。在铁基超导体电子向列相方面，我们首次给出了自旋向列相的直接实验证据，明确指出电子向列相由自旋自由度驱动。通过对向列型电子态涨落的研究，揭示了向列型量子涨落与超导电性的密切关系，并首次发现静态磁矩和向列涨落之间的标度关系，从而给出了铁基超导体的统一物理相图；在电子态相图和相变研究方面，我们的研究再次否认了同价掺杂体系中磁性量子临界点的存在，在电子掺杂体系中超导电性被完全抑制后也未能恢复量子临界点，而在母体材料中同价掺杂则可以调控其磁相变和结构相变从一级到二级跨越；在自旋激发谱方面，我们详细测量了不同电子掺杂浓度下的自旋激发谱，确立了低能自旋能隙与超导电性的密切联系，同时对比研究了同价掺杂材料的自旋激发谱，发现自旋激发带宽与砷位高度或电子关联强度有关，而低能段的自旋-轨道耦合对超导存在直接响应。此外，我们还展开了电子掺杂122体系高场电输运和低温比热的研究，并将我们的研究拓展到了111结构体系、新型1111结构氮化物和新型112结构铁基超导材料中，取得了相关进展。在本项目的支持下，合计发表SCI论文40篇，其中包括Science 1篇，Physical Review Letters 5篇， Physical Review B 18篇，相关成果多次被国内外同行报道和引用。