铁基铁磁超导体的化学掺杂与物性研究

Superconductivity and ferromagnetism are two completely different and antagonistic many-body collective phenomena in condensed matter systems. Coexistence of the two phenomena in a single material (called ferromagnetic superconductors) may produce various novel physical properties, such as spontaneous vortex state, FFLO state, cryptoferromagnetism, dense magnetic domains, etc. The newly discovered iron-based ferromagnetic superconductors have provided a good platform for studying the coexistence of superconductivity and ferromagnetism. We will mainly study the doped EuFe2As2 system. By effectively tuning the "intrinsic" superconducting parameters of the FeAs layers and the "internal field" of the Eu sublattice, through suitable chemical doping, the condition and the reason for the coexistence will be able to be understood. In addition, with full measurements of electrotransport, magnetic and thermal properties on the typical and high-quality single crystals, the way of the coexistence will also be revealed. We will focus on the characteristic phenomena such as possible spontaneous vortex state, anomalous Nernst effect and Hall effect. This project is expected to further understand the interplay of superconductivity and magnetism in ferromagnetic superconductors and, moreover, to pave the way for the possible applications of the ferromagnetic superconductors.

超导与铁磁是凝聚态系统中两种截然不同、相互对立的多体合作现象。两者共存于同一种材料（称之为铁磁超导体）可能产生多种新奇物理性质，例如：自发磁通涡旋态、FFLO态、"隐铁磁性（cryptoferromagnetism）"以及稠密磁畴结构等。近年来我们发现的铁基铁磁超导体为超导与铁磁的共存研究提供了良好的研究平台。本项目主要以掺杂EuFe2As2体系为研究对象，通过化学掺杂有效调节FeAs层"内禀"超导电性参数以及Eu铁磁层的"内磁场"，研究超导与铁磁共存的条件和原因；通过对典型的、高质量单晶样品的电输运性质、磁性质以及热学性质的全面测量和细致分析，揭示超导与铁磁共处的方式。重点研究超导与铁磁共存区可能的自发磁通涡旋、反常Nernst 效应与反常Hall 效应等铁磁超导体所特有的现象。本项目的实施不但可以进一步认识铁磁超导体，同时也为铁基铁磁超导体的可能应用打下一定的科学基础。

超导与铁磁是凝聚态系统中两种截然不同、相互对立的多体合作现象，仅在特殊情况下两者可共存于同一种材料（称之为铁磁超导体），由此产生多种新奇物理性质。2009年我们在铁基超导体中首次发现一种铁磁超导体—掺P的EuFe2As2超导体，相关体系为超导与铁磁的共存和相互作用研究提供了新的研究平台。.本项目以掺杂EuFe2As2 体系为主要研究对象，采用化学掺杂研究超导与铁磁共存的条件和原因；通过对典型的高质量单晶样品的电输运性质、磁性质以及热学性质的全面测量和细致分析，揭示超导与铁磁共处的方式；本项目还探索和拓展新型铁磁超导体。.我们圆满完成了本项目研究，并获得了较为丰硕的成果。成功生长出多种掺杂的EuFe2As2高质量单晶样品；归纳总结了该体系中超导与铁磁的共存条件，并分析揭示出其可能原因；研究结果显示，122型铁磁超导体存在大约20 T的Eu自旋交换场，对铁基超导电性存在明显的压制作用；观察到铁磁超导体的特征一级相变（超导迈斯纳态-自发磁通涡旋态），证明其基态为自发磁通涡旋态，并观察到稠密磁畴结构。我们还发现了另一类新型铁磁铁基超导体—RbEuFe4As4和CsEuFe4As4，其超导转变温度达到约35 K。此1144型铁磁超导体中的Eu自旋对超导电性的影响不明显。该发现提供了研究铁磁超导体的一个新方向，引起国际同行的广泛关注和后续研究。至项目结题时止，总计发表SCI收录论文（标注本项目资助）18篇，其中第一标注论文9篇。