铁基超导体的电子向列相研究

The presence of electronic nematic phase has been confirmed in many Fe-based and Cu-based superconductors, which the electronic states break the rotational symmetry of the underlying lattice while maintaining its translational symmetry. The electronic nematic phase is often intertwined with superconducting and antiferromagnetic orders, which makes it an indispensable part in studying the physics of high-temperature superconductors. While the application of a uniaxial pressure is essential in studying the electronic nematic phase, the lack of high-resolution in-situ uniaxial pressure device prevents further in-depth investigation. In this project, we will develop a new uniaxial pressure device based on piezoelectric ceramics, which will enable us to continuously fine tune the pressure in situ to obtain unprecedented resolution and provide a novel method to study the electronic nematic phase. We will combine the resistivity and neutron scattering measurements to comprehensively study the electronic nematic phase in iron-based superconductors. Our results will provide important information in understanding the universality and origin of the electronic nematic phase, and its relationship with spin nematic phase and superconductivity. This project is consistent with the requirement of “innovative experimental methods and basic technique studies”, we thus apply a high standard of funding support.

在大多数铁基超导体和一些铜基超导体中，都发现了所谓电子向列相的存在，其特征是电子态破坏了晶格旋转对称性而保留其平移对称性。电子向列相往往与超导序、反铁磁序等缠结在一起，成为在研究高温超导体性质时不可或缺的一部分。电子向列相的研究离不开单轴压力的施加，但是由于目前高精度原位单轴压力装置的缺失，使得我们对电子向列相的理解很不充分。在本项目中，我们将研制新型的基于压电陶瓷的单轴压力装置，来原位连续改变单轴压力，获得以前无法达到的精度，提供对电子向列相研究的全新的手段。我们将结合电阻和中子散射两种重要的研究方式，对铁基超导体中的电子向列相进行详细的研究。我们的结果将对电子向列相的普适性、来源、及其与自旋向列相、超导序之间的关系等重要物理问题提供极大的帮助。本项目符合“具有创新思想的实验方法和技术基础研究项目”的要求，因此申请较高强度资助。

电子向列相是指体系中的电子态破坏了晶格的旋转对称性，但是没有破坏其平移对称性。在铁基超导体中，这对应了电子态在具有面内四重旋转对称性的晶格上呈现出两重旋转对称性。由于在铁基超导体中广泛存在着反铁磁相和向列相，因此研究向列相的行为对于理解铁基超导电性是非常重要的。本项目的针对铁基超导体中的电子相列相进行了广泛而深入的研究，取得了较为重要的成果。在具体研究内容方面，我们主要采用了自主研发的一款基于压电陶瓷弯曲片的单轴压强装置通过测量电阻随单轴压强的变化来测量相列涨落，以及通过中子散射来测量反铁磁序和反铁磁涨落。通过这些研究，我们发现，电子向列相会伴随着体系的自旋涨落破坏了四重旋转对称性，其各向异性不仅体现在强度而且在关联长度上；在Sr1-xBax(Fe0.97Ni0.03)2As2体系中存在着反铁磁相变和相列相变分别是二级和一级的特殊区域，这些结果表明向列相应当来源于自旋自由度。在 BaFe2-xNixAs2中，我们发现其相列涨落在最佳掺杂附近会出现与向列序方向不同的单轴压强方向，与该体系中存在相列量子临界点时一致的。我们发现在Ba(Fe0.97Cr0.03)2(As1-xPx)2体系中存在着反铁磁量子临界点，而不存在相列量子临界涨落，表明体系的非费米液体行为主要和反铁磁量子临界涨落有关。最后，我们还发现铁基超导体Tc随单轴压强变化中存在着二次项，很可能与相列涨落和超导的关联有关。这些结果为我们更深入的理解铁基超导体中的向列相及其与超导和反铁磁之间的关系提供了重要的实验帮助。