铁基超导体磁性与超导电性关系的超精细相互作用研究

The newly discovered iron-based superconductors form a new family of unconventional superconductors. However, the electron pairing mechanism responsible for the superconductivity has not been determined and the symmetry and structure of the superconducting energy gap are unclear. Superconductivity and magnetism are close related in iron-based superconductors, and superconducting pairing may be mediated by spin fluctuations. Therefore investigation of magnetism and its relation to superconductivity is of fundamental importance in discovering the unconventional pairing mechanism of iron-based superconductors. Our objective is to study the magnetism and the link between magnetism and superconductivity by performing measurements with high accuracy on the local moments of iron atoms, the magnetic structures and spin fluctuations in iron-based superconductors. We will achieve this goal by preparing AFe2As2-type compounds with hole/electron doping on A site by flux growth method and investigating the hyperfine interactions in the compounds using M?ssbauer effect, nuclear magnetic resonance and the first principles calculations. Combining the analysis of other electromagnetic measurements, we will investigate the evolutions of micro and macro electromagnetic properties with the structural distortion, electronic band structure and the Fermi surface topology systematically, and investigate the magnetic structures, spin fluctuations and their relationship with superconductivity. Our findings will advance the understanding of the intrinsic properties of the iron-based superconductors and provide further insight on the pairing mechanism of high temperature superconductors.

铁基超导体是新发现的非常规超导体，其超导成对机制尚不清楚，超导能隙的性质也颇有争议。研究发现铁基超导体的超导电性与磁性密切相关，自旋涨落可能对超导成对起关键作用。因此深入研究铁基超导体的磁性及其与超导电性之间的关系，对揭示超导机制有重要意义。本课题旨在对铁基超导体的Fe原子局域磁矩、磁结构、自旋激发进行准确测量和深入分析，探讨磁性与超导电性的关系。为此，本课题用助溶剂法制备A位电子、空穴掺杂的AFe2As2型超导化合物；用穆斯堡尔效应与核磁共振技术，以及基于第一性原理的密度泛函理论计算，对化合物的超精细相互作用进行测量与分析；结合其它电、磁性能测试手段，深入研究化合物的微观、宏观电磁性质随晶体结构畸变、电子能带结构与费米面拓扑结构的变化规律，研究磁有序、自旋涨落及其与超导电性的关系。这些研究对正确认识铁基超导材料的本征属性，揭示其高温超导机制具有重要意义。

铁基超导体重新激发起人们对高温超导材料的研究兴趣。铁基超导体中铁元素对磁性、超导电性起着关键作用，其中研究FeAs四面体的局域结构、电子结构、自旋涨落与超导性之间的关联对揭示超导成对机制有重要意义。本课题用固相反应法成功制备出高质量的稀土掺杂、过渡金属掺杂的122型单晶样品，用57Fe穆斯堡尔谱仪和其它电、磁性能测试手段，对材料的宏观和微观电磁性质进行了测量，用基于第一性原理的密度泛函理论对材料的电子结构、超精细参数等各种基态性质进行了计算，通过超精细相互作用对各化合物的结构、磁性与磁涨落进行了深入研究，取得的主要成果有：.1、综合分析Ca1−xRxFe2As2（R=La,Ce,Pr,Nd）合金的电场梯度的实验与理论计算结果，发现随着掺杂量增加，FeAs四面体沿晶体c-轴压缩，使费米面附近的Fe-3d电子从面内向面外分布，这种与轨道相关的电子结构重组直接影响Fe原子磁矩、电场梯度、磁交换作用。.2、磁性与超导性共存并相互竞争。通过研究超精细参数随掺杂量以及温度的演化规律，发现稀土掺杂样品中普遍存在杂质分布不均匀的现象，在低温下高掺杂相中出现超导转变，稀掺杂相中出现自旋涨落，长程磁有序或磁涨落与超导相共存，并被抑制。.3、自旋密度波形态随掺杂元素种类、含量而变。研究发现对毗邻超导态的长程磁有序，其自旋密度波的三阶谐波h3总是负值。高阶谐波与电荷密度波相伴而生，在稀土掺杂超导样品中都存在自旋与声子作用，说明其中的超导机制可能与Fe位过渡族金属掺杂不同。h3与Fe-3d电子带内散射相关，其暗示的磁性与超导转变之间的关系值得深入研究。