发现新型量子临界现象

R. Zhou, Z. Li, J, Yang, D. L. Sun, C. T. Lin and G. Q. Zheng, Nat. Commun 4, 2265(2013).

成果介绍（所内链接）

http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201308/t20130819_3914383.html

　  通过调节外界物理参量（如压力，磁场，掺杂等）往往可以把物质体系的有序态完全抑制。在物质的序参量对应于外界参量的相图中，零温下序参量被完全抑制的位置（点）称为量子临界点。量子临界点的存在会影响物质的有限温度的性质，并导致新物态的出现。
最近，我们发现电子参杂铁基超导体BaFe_2-xNi_xAs₂中存在两个量子临界点。一个在x_c1=0.10处，另一个在x_c2=0.14处。通过核磁共振和输运测量，我们发现x_c1是磁量子临界点，而x_c2是向列序（Nematic）量子临界点。我们的研究结果显示，铁基超导体的高温超导现象是与量子临界性密切相关的。
在这个工作中，我们发现在两个临界点处正常态的电阻率与温度成线性关系（见图1中的黄色部分），说明在这两点附近，系统不能用传统的费米理论描述。接着我们利用核磁共振法分别研究了这两个临界点的性质，发现x_c1是磁量子临界点。依据是尼尔（Neel）温度T_N和由自旋晶格弛豫率1/T₁（图2）得到的外斯温度θ都等于零， 且在欠掺杂区域超导与反铁磁微观共存。从图2可以清晰得看到，在x_c1=0.10附近，1/T₁在Tc之上几乎不随温度变化，这是因为交替磁化率发散性地增长引起的，是量子临界的特征（即θ=0）。在x_c1=0.10样品观察到的电阻率与温度的线性关系是由量子临界涨落引起的。
我们进一步利用⁷⁵As的核磁共振谱研究了这个体系的结构相变。向列结构相变（四方相向正交相的转变）后a轴和b轴的长度不一样，导致a轴和b轴方向的电场梯度不同。所以孪晶样品的核磁共振谱的卫星峰产生了劈裂（图.3）。他们的结果显示，这种相变一直延续到x=0.12，且转变温度T_s小于超导转变温度（T_c）。值得指出的是，在超导dome里发现其他相变尚属首例。这种结构相变到x=0.14才消失。综合T_s的参杂变化及电阻率的温度变化，我们发现x_c2=0.14是向列量子临界点。这是一个新颖的量子临界点，其电阻率随温度的演变用现有的理论还无法解释。传统的理论预言，在结构相变的量子临界点附近，电阻率应当遵守T^4/3的温度变化规律。我们观察到的结构相变很可能是由电子向列序（如轨道有序）引起的，值得今后更加深入地研究。
我们的成果表明，载流子掺杂铁基超导体的机制与量子临界性有着密切的关系。特别是，在磁量子临界点Tc最高，说明自旋量子涨落对超导的产生起了直接的作用。这项成果对研究铁基高温超导体的微观机制提供了重要的线索。

该工作刊登于Nature的子刊Nature Communications 【Nat. Commun. 4, 2265 (2013)】上。

图-1: BaFe_2-xNi_xAs₂的相图。T_N是尼尔温度，T_s是向列转变温度，θ是一个衡量离量子临界点距离的参量。淡黄色表示该处电阻率与温度成线性关系。

图-2: 所有BaFe_2-xNi_xAs₂样品的1/T₁随温度的演变图。其中实线和虚线箭头分别表示了T_c和T_N。可以看到在x = 0.10处， 1/T₁在T_c以上基本不随温度变化，说明这里是一个反铁磁量子临界点。

图-3: (a)-(d)是x = 0.05~0.12的核磁共振谱卫星峰在T_s前后的变化。可以看到在Ts之下，卫星峰发生了明显的劈裂或者两峰向相反方向移动并展宽。 (e) x = 0.14的卫星峰直到4.5 K都没有看到明显的变化，说明在这个样品里没有结构相变发生。