铁基超导材料研究进展

铁基超导体(iron-based superconductors)被认为是继铜基超导材料后的第二类高温超导家族,具有丰富的物理特性和广阔的应用前景,同时也为探究高温超导机制提供了全新的平台.利用33篇文献综述了几种典型的铁基超导体研究现状,同时简述了近期铁基超导体研究领域取得的一些进展,最后对其应用前景进行了展望.     

铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱研究

高温超导电性是近代凝聚物理关注的核心问题.高温超导的研究一方面具有重大的应用前景,另一方面推动了多体关联凝聚态物理理论和计算的发展.铁基高温超导材料是除铜氧化物高温超导外的第二类常压条件下的高温超导材料.在对铁基高温超导的研究过程中,研究者利用角分辨光电子能谱技术对铁基高温超导材料的电子结构、对称破缺相、超导能隙等进行了详细的研究,为揭示铁基高温超导配对机制提供了重要的实验依据.近些年,角分辨光电子能谱实验更是在一些铁基高温超导材料中发现了拓扑超导存在的证据.本文将对铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱相关工作进行总结.     

高温超导体的核磁共振最新研究进展

核磁共振作为一种重要的谱学研究手段,在高温超导体的机理研究中发挥了极其重要的作用.近年来,随着新型铁基高温超导材料家族的发现以及基于强磁场下核磁共振技术的发展,相关高温超导方面的核磁共振研究也有了许多新的进展,这些工作对高温超导电性的机理研究起到了积极的推动作用.本文将就核磁共振技术在铜氧化物高温超导体和铁基高温超导体这两大类高温超导材料中的若干最新研究进展进行一个有针对性的概述和梳理,希望对后续高温超导电性的机理研究以及材料探索能起到一些启示作用.     

重费米子体系的ARPES研究

重费米子体系是一类经典的强关联电子体系,在非常规超导、量子相变、强关联理论等方面扮演着重要的角色.重费米子化合物中的f电子在高温下形成局域的磁矩,随着温度的降低, f电子磁矩会被导带电子屏蔽,在费米能量附近形成有效质量很大的准粒子态,显著地影响着材料的物理性质.本文简要介绍角分辨光电子能谱技术在重费米子研究方面的应用,主要包括重费米子体系中f电子局域/巡游特性及转变,晶体场劈裂,不同f电子填充对杂化和基态性质的影响, f电子与导带电子的能带依赖性杂化以及f电子相关的莫特物理.     

铁基超导体磁激发的共振非弹性X射线散射研究

在铁基超导材料中,超导电性通常起源于对反铁磁母体的载流子掺杂.随着掺杂量的增加,反铁磁长程序逐渐被抑制,超导出现并在反铁磁序消失的边缘达到最佳Tc.在最佳和过掺杂区域,虽然已经不存在任何反铁磁长程序,但仍然存在很强的反铁磁涨落.在铜氧化物和铁基高温超导体中,很多实验证据表明自旋为1的反铁磁涨落极有可能是超导电子配对的媒介,而驱动这一配对的则是电子间的反铁磁关联.因此,从实验上研究铁基超导体的磁激发谱及其对掺杂的依赖关系,获得反铁磁关联能等信息,对理解铁基超导的微观机制至关重要.在过去十几年中,非弹性中子散射(Inelastic Neutron Scattering, INS)在测定铁基超导材料中的磁激发方面发挥了主导作用.在过去十年中,共振非弹性X射线散射(Resonant Inelastic X-ray Scattering, RIXS),作为一种可以测量过渡族金属化合物中磁激发的实验技术,被用于铁基超导体中磁激发及其演化的研究.由于RIXS具有元素敏感、价态敏感、光通量高等优点,在铁基超导材料磁激发的相关研究中,发挥了独特的作用.本文从RIXS的特点出发,回顾了铁基超导体中磁激发的...     

铁基超导体的远红外光谱学研究

铁基超导体是由日本科学家Hosono发现的具有层状结构和多带特征的非常规超导体,虽然人们利用各种实验手段对不同家族的铁基超导体进行了详尽的研究,最受关注的超导机理的问题尚未解决,也吸引着人们进行更加深入的探索.红外光谱是研究费米面附近的电子态激发以及晶格振动动力学的重要实验探测手段,在早期的超导研究中对于超导能隙的确定和电声相互作用的探测起到了重要作用.本文将主要介绍近些年国际上利用傅里叶变换红外光谱学研究铁基超导体方面的主要进展,并结合作者近些年的工作详细地阐述红外光谱的具体应用,主要包括以下几个方面的内容:(1)铁基超导体中的超导能隙;(2)(Ba,K)Fe_2As_2中的量子临界与非费米液体行为;(3)KFe_2As_2中的轨道选择性行为;(4)铁基超导材料中的电声相互作用;(5)铁基超导材料中的向列相.最后,在总结已有工作的基础上,我们对未来红外光谱在铁基超导材料中的研究做了进一步的展望.     

高温超导研究:掀起了一场“暴风雨式的重大发现”

正复旦超导实验室里探究竟,平均年龄不足40岁的高温超导研究团队或将颠覆学术界。攻克重重难关缔造无数第一复旦大学物理系封东来教授课题组完成的项目"铁基超导体电子结构的光电子能谱研究"早前获得了"2015年度国家自然科学奖"二等奖,消息一出,掀起了这个前沿科学圈内的学术风浪。高温超导电性是凝聚态物理最前沿的问题之一,有重大的基础研究和应用价值。复旦大学物理系青年科学家封东来教授领衔开展的"铁基超导     

镧系超导体中条纹相(stripe phase)的研究评述

镧系超导体中,当掺杂空穴浓度等于1/8时出现的超导反常抑制现象一直是超导研究方面的一个焦点.J.M.Tranquada将La2-XSrXCuO4中出现的动态二唯无公度(incommensurate)自旋关联解释为电荷自旋相互分离的条纹相之后,人们对镧系超导体的电子-电子、电子-晶格、以及磁相互作用进行了系统的研究.但条纹相形成的驱动机制以及条纹相与超导电性的关系等基本问题仍没有得到充分的解释.     

强关联对Van Hove奇异性及超导电性的影响

分析电子间强关联效应对二维态密度的ＶａｎＨｏｖｅ奇异性及超导电性的影响．结果表明，强关联不改变二维态密度的ＶａｎＨｏｖｅ奇异性，但产生一常数态密度．此常数态密度与掺杂有关，从而认为超导体的Ｔｃ与掺杂有关；强关联还将使同位素效应的指数（ａ）进一步减小，而且随掺杂变化而变化．     

准一维Mn基超导材料研究进展

探索新的高温超导材料与揭示非常规超导机理一直是凝聚态物理研究的重点.除了铜氧化物超导体和铁基超导体这两大家族之外,其他过渡金属基非传统超导材料相对较少,其中锰基超导材料尤其稀少.晶格维度的降低通常会抑制磁有序并增强自旋涨落,可以以此为思路探索新的锰基超导体.近年来,一个新的准一维锰基材料家族AMn₆Bi₅(A=Na, K, Rb和Cs)被发现.其中, AMn₆Bi₅(A=K, Rb和Cs)在高压下表现出非常规超导电性,加深了人们对于非常规超导与反铁磁关联的认识.     

FeAs基超导体的超快光谱研究

铁基超导体作为第二个被发现的高温超导体家族,其超导机理无疑是现代物理学中最引人注目的物理问题之一.从凝聚态的角度上看,铁基超导体丰富的有序态主要源于微观自由度,如电荷、轨道、自旋和晶格之间的相互作用演绎而来.近年来,随着飞秒激光技术的飞速发展,超快光谱成为了直接探测材料宏观物理量的微观机制及各种微观自由度之间相互作用的有力工具之一,并广泛应用于铁基超导体研究.本文回顾了FeAs基超导体最近的超快光谱研究,其中包括对能隙函数的探讨、在时域内区分各种有序相及这些相与超导序之间的关系以及相干声子在超导配对中的作用等方面的进展.     

高温超导新进展专题·编者按

正超导电性是凝聚态物质里一种电子体系宏观量子凝聚效应,具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的特性.高温超导则通常是指少数材料(如1986年发现的铜氧化物)在较高温度下(77 K)就可以发生的超导现象,涉及凝聚态物理中许多基本概念和最前沿的问题,以其独特的魅力不断地吸引着世界范围内物理学家的广泛关注.区别于Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理论框架下的传统超导体,高温超导体具有异常复杂的晶体结构和相图,从而     

铜氧化物超导体中压致超导-绝缘体量子相变

按照固体能带理论,固体的导电性质通常是由其能带结构所决定的.对于具有能隙的绝缘体或半导体,在压力的作用下其能带的展宽可以使能隙闭合,从而使系统发生绝缘体-金属相变,甚至在低温下呈现出超导电性.这种绝缘体-金属相变被称为“威尔森相变”.而“反威尔森相变”,即在压力的作用下产生金属(或超导体)-绝缘体转变是经典理论不能预测或解释的问题.本文将主要介绍最近在空穴掺杂铋系铜氧化物高温超导体中发现的压力导致的超导-绝缘体量子相变,并对其形成机制和生成绝缘相的性质进行了简要讨论.新发现的铜氧化物高温超导体中压致超导-绝缘体量子相变不仅提供了一个强关联电子系统在压力下产生奇异量子态的新范例,也说明了超导与其紧邻量子态在压力调制参量作用下所表现出的“同源性”,这为深刻理解强关联电子系统中超导态与其他各种量子态之间的关系提供了新的实验依据.此外,分析了这种超导-绝缘体量子相变的普适性,并提出了在此方面开展进一步研究的一些关键问题.作者希望通过本文的介绍能使读者对铜氧化物高温超导体中高压导致的超导-绝缘体相变实验研究方面的新进展和其可能存在的普适意义有所了解,同时希望能对高温超导机理的深入理解及为最终高温...     

非常规超导体的核磁共振研究新进展

核磁共振作为一种重要的谱学研究手段,在非常规超导体的机理研究中发挥了极其重要的作用.近年来随着新型非常规超导材料的发现,对应的核磁共振研究也有了许多新的进展,这些工作对非常规超导电性的机理研究起到了积极的推动作用.本文将就核磁共振技术在奇宇称超导体、铜基高温超导体和笼目结构超导体这三类超导材料中的若干最新研究进展进行一个有针对性的概述和梳理.在奇宇称超导体研究方面,将重点介绍铬基超导家族A₂Cr₃As₃中铁磁量子临界点顺磁侧的超导相图的研究和自旋三重态超导的实验证据,非中心超导体YPtBi中反铁磁自旋涨落及非常规的自旋单态和自旋三重态混合的超导态的发现.在铜氧化物超导体和笼目结构超导体研究方面,将重点介绍YBa₂Cu₃O_y中强磁场诱导的电荷密度波序出现3倍晶胞(λ=3b)公度性的微观实验证据,笼目结构超导体CsV₃Sb₅中电荷密度波序和电子关联随压力的演化.希望本文对后续超导电性的机理研究、材料探索及实际应用能起...     

重大科技成就奖获奖代表简介

正陈仙辉中国科学院院士,现任中国科学技术大学教授,长期坚持新型非常规超导体的探索及超导和强关联物理的研究,发现的新型超导体涵盖铜氧化合物超导体、富勒烯超导体、铁基超导体和有机超导体等多种体系。在铁基超导体的研究中取得突破性成果:首次在铁基超导体(常压下)实现40开以上的     

超导电性理论特征

超导材料的种类非常广泛,有单质金属、合金材料、有机化合物、非金属单质、金属与非金属掺杂材料、金属氧化物等.从超导电性特征又分为非常规超导材料和常规超导材料.因此从超导电性的起源研究超导电性理论的特征具有重要的意义,既是重要的理论研究,又对合成、制备各种新型超导材料具有指导意义.分析研究了超导电性的本征特点,分别从超导的基本物理图像、同位素效应、超导转变温度计算公式表示等方面给出了常规超导体和非常规超导体的全面描述.同时理论上计算了一种有机复合超导材料.     

新型高温超导候选材料Sr2CuO2Fe2As2的设计及物性研究

基于现有铜氧化物和铁基两类高温超导体的特性,设计了同时包含CuO2层和Fe2As2层的新材料Sr2CuO2Fe2As2,采用一性原理方法对其进行了稳定性分析,并计算了母体材料及掺杂后的电子能带结构.结果表明,该物质在能量上处于有利地位,具有良好的稳定性.其电子结构与铁基超导体较为相似,表现出弱金属性,其导电性主要集中在Fe2As2层.空穴掺杂时,CuO2和Fe2As2层层间关联得到削弱,材料的导电性仍由Fe2As2层主导;而在电子掺杂中,不仅Fe2As2层的导电性出现增强,CuO2层的导电能力也大幅度提高.结果表明,所设计的Sr2CuO2Fe2As2的电子结构与两类高温超导体具有相似性,可能成为超导候选母体材料,并具有实验研究和理论分析价值.     

高温超导薄膜的原子尺度制备和表征

高温超导体因其丰富的物理性质和潜在的应用价值已成为30余年来凝聚态物理学备受关注的前沿方向之一.探索和发现新型高温超导体并以此建立非常规高温超导电性的物理机制是超导物理学家们长期追求的目标.本文从高温超导体的研究现状和瓶颈出发,介绍基于异质外延薄膜高温超导电性的原子尺度研究,阐述近年来分子束外延技术在高温超导薄膜制备和量子调控方面取得的研究进展.在外延薄膜超导特性表征方面,着重介绍基于原位扫描隧道显微镜对超导层的原子尺度研究.在新型高温超导体探索方面,主要介绍基于异质外延薄膜界面超导体系的构筑.本文侧重于展示实验设计思路、研究方法以及对高温超导电性微观机制的理解,力图以此启发相关领域的研究人员.     

AlB_2型结构WB_2点阵动力学的第一性原理研究

对Al B2型结构的二硼化物的超导进行了大量研究,试图寻找新的高温超导体。为了研究硬材料WB2的超导电性,利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Al B2型结构WB2的点阵动力学性质,并与高温超导体Mg B2的相关性质作了比较。WB2的能带在费米能级沿Γ-A方向有两条双重简并的能带。带心声子计算结果表明,声子频率全部来源于B原子振动关联模式的贡献。高频率的B1g和E2g两种声学模式的电声耦合作用较强且对超导电性起着决定性的作用。WB2有着与Mg B2类似的高温超导性质。     

发展实空间格林函数理论研究铜替位铁基超导

基于格林函数运动方程,发展了一套新的实空间多轨道格林函数方法,能够在实空间内对所有格点和轨道的格林函数进行同步求解,因此适用于研究因掺杂和空位等引入了无序效应的多轨道强关联体系.在文章中,讨论了如何合理地对多轨道体系的高阶格林函数进行截断近似,并详细介绍了在实空间开展矩阵化自洽求解时所需引入的数值计算技术方法.利用这一方法研究了用于描述铜替位掺杂的铁基超导的非均匀三轨道Hubbard模型,并重点探讨铜杂质对轨道选择莫特相变的影响.在轨道选择莫特相变中,只有d_(xy)轨道会发生莫特金属-绝缘体相变,而简并的d_(xz/yz)轨道仍然处于金属相.我们的计算结果显示,掺杂可以在d_(xy)轨道的莫特能隙中引入局域的隙间态,从而会显著提高发生轨道选择相变的洪德耦合临界值J_c.