铁基超导体强磁场下的去孪晶效应与向列相研究

The symmetry of the parent phase of Fe-based high-temperature superconductors is broken by almost simultaneous antiferromagnetic and structural phase transitions as temperature decreases. Strong transport anisotropy with its resistivity maximum along the crystal b axis (spin parallel direction) is found in the antiferromagnetic phase, which is proposed as an electronic nematic phase. As nematic phase is also found in cuprates, it may strongly correlate to the origin of high-temperature superconductivity. However, the formation of dense structural twins below the orthorhombic transition in Fe-based superconductors hampers the study on the nematic phase, but uniaxial strain can be used to detwin the domains in the crystal. Then some results show that the nematic phase persists to temperatures far above the tetragonal-to-orthorhombic phase transition in the detwinned sample by uniaxial strain. However, some other results show this surprising result is from an effect of the uniaxial strain. Because of the susceptibility anisotropy in the plane of Fe-based superconductors, magnetic fields can also be used to detwin the domains, but very high magnetic field is needed to get single d domain sample. Thus we plan to study the detwinning effect on Fe-based superconductors with a high magnetic field up to 40 T at at High Magnetic Field Laboratory, Chinese Academic of Science (CHMFL). Then we will study the nematic phase in single domain strain-free crystals we get, which can provide important results for understanding the nematic phase and high-temperature superconductivity.

铁基高温超导体母相随温度降低会同时或先后发生从四方到正交的结构相变及反铁磁转变。在反铁磁相其面内电阻有较大的各向异性，且最大电阻沿着Fe原子自旋平行排列的b轴方向，这被称之为电子向列相。而在铜氧化物高温超导体中也有向列相存在，因此向列相被认为与高温超导的起源有着重要的关联。铁基超导体进入四方相时会形成孪晶，这阻碍了对向列相的研究。而对样品轴向施加压力具有去孪晶效应。有研究表明在压力去孪晶的样品上向列相可以存在于结构相变温度以上，但也有人认为这是压力导致的效应。由于铁基超导体面内磁化的各向异性，磁场也具有去孪晶效应，但形成单畴样品需要极高的磁场。因此我们计划运用中科院强磁场科学中心高达40T的磁体来研究磁场对铁基超导体的去孪晶效应，并在得到的单畴样品上进行向列相的测量研究，以排除压力导致的效应，为理解向列相及高温超导机理提供实验依据。

铁基高温超导体母相随温度降低会同时或先后发生从四方到正交的结构相变及反铁磁转变。在反铁磁相其面内电阻有较大的各向异性，且最大电阻沿着Fe原子自旋平行排列的b轴方向，这被称之为电子向列相。而在铜氧化物高温超导体中也有向列相存在，因此向列相被认为与高温超导的起源有着重要的关联。铁基超导体进入四方相时会形成孪晶，这阻碍了对向列相的研究。对样品轴向施加压力具有去孪晶效应。有研究表明在压力去孪晶的样品上向列相可以存在于结构相变温度以上，但也有人认为这是压力导致的效应。由于铁基超导体面内磁化的各向异性，磁场也具有去孪晶效应，但形成单畴样品需要极高的磁场。因此我们运用中科院强磁场科学中心的强磁场环境来研究磁场对铁基超导体的去孪晶效应。我们首先运用输运、磁化和X 射线等多种测量方法对系列掺杂的铁基超导体BaFe2-xNixAs2单晶样品做物性表征，挑选出最佳质量样品，再通过退火进一步改善样品质量，然后利用水冷磁体提供的高达35T的稳态强磁场环境，通过电输运，磁化和磁致伸缩等测量方法来研究磁场对BaFe2-xNixAs2样品的去孪晶效应。通过强磁场下的输运测量，我们发现在一定的温度区间内，电阻曲线会出现一些转变，同时升场和降场的曲线不重合，表明了强磁场有明显的去孪晶作用，并且在有些时候，去孪晶的效果是可以保持的。另外在有些温度下，甚至可以看到两个转变，说明强磁场不但能够通过样品的磁化各项异性实现去孪晶作用，还可以压制反铁磁转变，这是之前没有报道过的实验结果。通过强磁场实现完全的去孪晶作用，可以为后续开展无应力样品的向列相研究提供基础。另外通过脉冲强磁场下的磁致伸缩测量，我们发现BaFe2-xNixAs2单晶样品在强磁场下具有非常明显的磁致伸缩作用。通过水冷磁体下的磁化测量我们发现，样品的磁化曲线行为与磁致伸缩曲线行为非常一致，表明磁致伸缩效应是由磁化引起的。如此显著的磁致伸缩效应，提供了运用其制作一种磁场传感器的可能。