利用核磁共振研究4d/5d过渡金属掺杂BaFe2As2超导材料的自旋涨落性质

In Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM=Ru，Rh，Pd，Ir，Pt) superconducting materials with many novel quantum properties, 4d/5d transition-metal has multiple doping effects, such as doping carriers, magnetic dilution, inducing impurity scattering, etc. Studying the spin fluctuation property is important for better understanding the complex doping effect of 4d/5d transition metal and the superconducting mechanism in these materials. In this project, we will employ NMR to investigate the spin fluctuations in Ba(Fe1-xTMx)2As2. First, Through the evolution between low-energy spin fluctuations and superconductivity tuned by chemical doping, we study the importance of spin fluctuations for superconductivity, and further understand the 4d/5d transition metal doping effect from the view of spin fluctuation. Combined with transport measurements, we further identify whether the quantum critical point exists in these materials. Second, taking the advantage of NMR as a local probe, we investigate the influence of the local character of in-plane transition-metal substitution. The project will be helpful for better understanding the superconducting mechanism in transition-metal substituted iron-based materials and formulating the related theoretical model for these materials.

在Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM=Ru，Rh，Pd，Ir，Pt) 超导材料中，4d、5d过渡金属掺杂具有引入载流子、磁稀释、杂质散射等多重效应，且该类材料表现出许多新奇的物理性质。自旋涨落性质的研究对于更好地理解Ba(Fe1-xTMx)2As2材料中的4d、5d过渡金属掺杂效应及其超导电性机理具有重要意义。本项目拟利用核磁共振对Ba(Fe1-xTMx)2As2系列掺杂材料的自旋涨落性质进行研究。首先，通过低能自旋涨落与超导电性在化学掺杂调控下的演化，研究自旋涨落对超导电性的重要作用，从自旋涨落的角度进一步理解4d、5d过渡金属掺杂效应。结合输运性质测量，研究该类材料中是否存在磁性量子临界点。然后，利用核磁共振作为局域探测手段的优点，研究层内过渡金属掺杂的局域效应及其对超导电性的影响。本项目将为更好地理解过渡金属掺杂铁基超导材料的超导机理和相关理论模型的构建提供一定的实验依据。

在铁基超导材料中，面内过渡金属掺杂能够引入超导电性，这与铜氧化物高温超导体显著不同。过渡金属掺杂具有引入载流子、磁稀释及杂质散射等多重效应，且该类材料表现出多种新奇的物理性质。从磁性涨落（关联）的角度去理解层内过渡金属掺杂效应及其引入超导电性的机制，研究铁基与铜氧化物超导材料之间的不同，对于加深对高温超导机制的理解非常重要。本项目旨在发展极端条件凝聚态核磁共振实验方法，并利用凝聚态核磁共振结合输运测量研究过渡金属掺杂的铁基超导材料的自旋涨落性质。. 在项目执行期间，团队研究目标明确，经费使用严格按照预算执行，项目成员分工合理，在凝聚态核磁共振实验系统及铁基超导等关联电子材料的物性研究方面取得了一系列进展。这些进展包括：研制了一套具有高隔离度、低插入损耗的凝聚态核磁共振双工器；研制出一套凝聚态核磁共振谱仪系统及转角、高压、单轴应力核磁探头；研制出一套用于凝聚态核磁共振的自动调谐系统；利用核磁共振手段研究了铁砷层内Co掺杂的NaFe1-xCoxAs超导材料中的过渡金属掺杂效应，并在欠掺杂区域发现了非常明显的Co掺杂的局域杂质效应；利用原位单轴应力核磁共振发现了FeSe超导材料中非常弱的自旋-轨道耦合效应。除此之外，我们还对两种低维量子磁性材料物性进行了深入的核磁共振研究，发现了CH3NH3Cu(HCOO)3中由磁场诱导出现的量子自旋子对束缚至经典磁振子的新奇现象以及NiCl2-4SC(NH2)2材料中由外加高压诱导出现的反铁磁有序态。我们对尖晶石结构材料CuIr2S4和MgTi2O4进行了高压下的电输运性质测量，发现了其中的金属-绝缘体转变对外加高压具有十分不同的依赖关系，表明轨道与晶格自由度间的相互耦合作用在轨道诱导出现的Peierls相变中发挥了重要作用；我们对ZrTe5材料的输运研究表明其费米面在高压下由各向异性极强的准二维结构演变成各向同性的三维结构，有力地支持了ZrTe5的狄拉克锥具有准二维特点，对于理解ZrTe5 “偶然”狄拉克半金属态具有重要意义。这些工作为相关量子材料的物性研究提供了重要的实验参考，形成了国家发明专利1项以及科研论文2篇，并有2篇科研论文在投。