铁基超导体中反铁磁序与超导的微观共存

Z. Li, R. Zhou, Y. Liu, D. L. Sun, J. Yang, C. T. Lin and G.-q. Zheng, Phys. Rev. B 86, 180501(2012).

成果介绍（所内链接）

http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201211/t20121126_3689920.html

　  磁性与超导都是突出的量子现象，它们之间的关系是当今凝聚态物理中重要的研究对象。在最近发现的铁基高温超导体中，超导相和反铁磁有序相邻接，吸引了科学研究者极大的兴趣。磁有序与超导能否微观共存与超导能隙的对称性以及配对机制有紧密的关联。目前，铁基高温超导体中的超导能隙究竟是有符号变化的S^+-对称性，还是常规的S⁺⁺对称性，国际上还有争论。理论工作指出，若反铁磁有序和超导有序能微观共存，则S⁺⁺不稳定，而S^+-对称性极易实现。此外，反铁磁有序和超导有序是否微观共存，关系凝聚态物理中的另一个重大科学问题：量子临界点以及量子临界现象。
　  我们组就以上问题对Ba_1-xK_xFe₂As₂体系开展了深入的核磁共振研究。最近，我们首次得到了铁基高温超导体中反铁磁序与超导序微观共存的确凿证据。我们发现，铁的3d电子同时导致反铁磁和超导现象。我们还发现，共存区超导态的性质反常，值得今后更加深入的研究。
　  在这个工作中，我们利用75As核磁共振对Ba_0.77K_0.23Fe₂As₂高质量单晶进行了详细的研究，发现当温度降低到反铁磁转变温度T_N= 46 K时，核磁共振谱产生劈裂（H//c轴）或平移（H//a轴）；接着，对感受到内部磁场的核自旋进行了自旋晶格驰豫率1/T₁ 的测量,发现当温度刚降到T_c ＝15K时，1/T₁ 明显下降并呈T³ 变化。这是反铁磁序与超导序微观共存的直接的证据。我们还发现， 1/T₁的行为与最佳掺杂样品Ba_0.68K_0.32Fe₂As₂（Z. Li et.al. Phys. Rev. B 83, 140506(R) (2011).）的行为截然不同，1/T₁ 在刚进入超导后态的下降随温度的变化远慢于最佳掺杂样品。这说明与反铁磁有序微观共存的超导态是一种新奇的超导态，值得今后更加深入的研究，特别是理论分析。
　  该工作被美国物理学会列为HIGHLIGHTED ARTICLES (Editor's Suggestion)。

图-1：核磁共振实验得到的Ba1-xKxFe2As2相图。方形符号为Néel温度TN，圆形符号为超导转变温度Tc 。黄色区域为反铁磁相，蓝色区域为超导相，中间交叠的绿色区域为超导与反铁磁微观共存相。

图-2：（a）和（b）分别是外加磁场H0平行于c轴和ab面时，TN之下反铁磁有序相中75As核所感受到的有效磁场的示意图。红色箭头表示的是Fe磁矩的方向，磁矩平躺在ab面内，绿色箭头表示的是内部磁场的方向，内部磁场平行于c轴方向，但Fe平面上下的75As核所感受到的内部磁场方向相反。

图-3：(a)和(b)分别是当外加磁场H//c和H//a时TN之上和之下75As的核磁共振谱。(a)当H//c时，核磁共振谱上所有的峰发生了明显的劈裂。(b) 当H//a时，核磁共振谱上所有的峰发生了明显的移动。

图-4：1/T1 的温度依赖关系。直线为T3 温度关系。由于反铁磁相变，1/T1 在TN处形成了一个峰，然后紧接着在Tc 处再次下降，说明反铁磁有序与超导有序微观共存。