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科研动态

铁基超导物性理论研究取得新进展

发布日期:2014年10月07日
       铁基超导是近年来凝聚态物理学的一个热点。该超导家族与铜氧化物高温超导体类似的相图、相近的物理性质以及非电声耦合超导的共性使得人们普遍认为对于该体系物性的研究有助于揭示高温超导机理这一凝聚态物理中尚未解决的最重要的基本问题。该体系磁性的起源和特性、超导的机制和配对对称性、磁性与超导的关系以及电子结构和输运方面的一系列反常引起了人们极大的研究兴趣。

        该领域的一个重要的基本问题是在该体系中的电子是如同通常金属中的巡游电子还是如同铜氧化物超导体中的局域电子。一方面,该体系高温磁极化率线性行为和由基于Heisenberg模型的自旋波波谱对由中子非弹性散射所揭示的该体系磁激发谱的成功拟合表明在该体系中存在局域磁矩;另一方面由角分辨光电发射谱和包括电阻和光电导谱等电子输运行为所揭示的具有完整费米面的金属性却肯定了巡游电子分量的必然存在性。对于此二方面的关系目前仍然是该领域的一个争论的焦点。

        北京理工大学物理学院杨帆副教授和清华大学高等研究院翁征宇教授研究组以及北京师范大学物理系寇谡鹏教授合作对该体系进行了研究,提出了所谓“轨道选择的Mott-绝缘体”这一概念。即认为在铁的5个3d轨道中,部分轨道中的电子由于强的电子关联先发生“Mott-相变”而成为局域磁矩,继而这些局域的电子分量经由洪特规则与剩余轨道上的巡游电子产生耦合。此二分量共存并耦合,共同承担体系的物理性质。基于此物理图像,他们系统的研究了体系的磁性、输运行为、超导电性以及相图等物理性质,取得了一系列与实验观测相一致的研究结果[1-3]。

        在磁性方面,他们研究了体系在进入反铁磁有序状态之后的自旋激发谱[1]。结果表明体系的低能自旋激发谱被劈裂成无能隙的具有线性色散关系的Goldstone-mode和有能隙的局域磁矩涨落模式。该Goldstone模式只在低能下存在,其能量上边界由巡游电子能隙尺度来界定。该模式对巡游电子的散射特性决定了体系进入SDW状态之后的电阻下降和光电导谱反常,与实验结果一致。该研究结果丰富和推广了Goldstone定理的内涵,具有重要的基础研究价值。

        在超导方面,他们发现了巡游电子之间通过交换局域磁矩的集体涨落模式作为中介能够产生有效吸引作用并配对从而导致超导。通过自洽格林函数计算,得到了体系超导的配对对称性和包括磁性与超导的相图,与实验结果一致[2],[3]。研究结果表明,巡游电子的费米面的nesting-特征波矢量与局域磁矩的集体涨落模式的特征动量之间的匹配性是决定该体系超导和磁性之间竞争的关键因素。当二者匹配良好时,二自由度的磁性互相加强从而促进体系进入反铁磁有序态,从而超导被抑制。反之,如果二自由度失去匹配,则磁有序被抑制,而超导性则被凸显出来。该理论能够对铁砷(磷)族超导和钾铁硒超导的重要区别提供自然而合理的理解,从而在该领域受到了高度的关注。尤其是该理论对今年新发现的钾铁硒超导机理,以及其超导与强磁性的共存现象提供了很合理的理解。上述研究结果发表在国际物理权威杂志Phys. Rev. Letts、Phys. Rev. B 上[1-3]。

参考文献:
        [1].  Fan Yang, Su-Peng Kou, and Zheng-Yu Weng, Phys. Rev. B 81, 245130 (2010)
        [2].  Yi-Zhuang You, Fan Yang, Su-Peng Kou, and Zheng-Yu Weng, Phys. Rev. B 84, 054527  (2011)
        [3]. Yi-Zhuang You, Fan Yang, Su-Peng Kou, and Zheng-Yu Weng, Phys. Rev. Letts.107, 167001 (2011)