“111”型铁基超导体的研制及性质研究

超导转变温度为26K的LaFeAsOF超导体的发现引发了对铁基高温超导新材料的探索及其超导机制研究的热潮。在超导新材料的探索过程中，项目申请人及所在课题组成员首先发现"111"型LiFeAs铁基超导材料。本项目拟在已有原创工作基础上，在深度和广度上进一步开展"111"型铁基超导材料的研制和研究，研究制备包括A位替代型的AFeAs(A为Li和Na)、 掺杂型AFeAs系列样品以及单晶样品。结合压力调控，研究体系超导特性随外场的演化，利用多种物理手段表征样品内部由电子关联引发的相互作用。着重研究超导电性和磁性随A位离子替代浓度的演化关系，揭示"111"型尤其LiFeAs超导凝聚和磁有序之间相互关联，探索提高和优化体系超导性能的材料设计途径。

本项目主要研究目标是在我们首次报道第一个“111”型铁基超导体LiFeAs的基础上，进一步深入研究“111”型铁基超导体的基本超导性质和超导物理机制。LiFeAs和其它铁基超导相比的显著特点是其母体相本身没有宏观长程磁有序，但表现为Tc～18K的超导性质，因此LiFeAs的超导物理机制是否和反铁磁涨落关联一直备受关注。. 我们通过研制大块高质量LiFeAs晶体，利用非弹性中子衍射实验技术观察到其内部存在非公度的反铁磁性自旋激发，从而直观表明了LiFeAs和其它铁基超导体一样，其超导物理机制和自旋涨落密切关联。结合非弹性中子散射和角分辨光电子能谱的实验数据，分析表明LiFeAs实际上是自掺杂型的电子型过掺杂超导体，从而解释了LiFeAs母体相本身没有宏观磁有序的实验现象。. 此外LiFeAs核磁共振实验研究结果表明该体系中电子关联相互作用较弱，其超导库柏对为S±配对对称性，并给出两个超导能隙大小分别为：Δ1=3.0KBTc和Δ2=1.3KBTc；低温高磁场条件下LiFeAs电阻测量实验得到其超导各向异性γ约为1.5；用3d过渡族金属Co、Ni和Cu在LiFeAs的Fe位置进行部分替代，研究表明平均每掺杂1％的Co、Ni和Cu将分别抑制超导Tc约1K、2.1K和1.9K。该实验结果有力支持了刚带模型预言Co和Ni掺杂行为的理论，但是刚带模型对LiFeAs进行Cu掺杂的实验数据失效。. 最后我们对“111”型铁基超导体高压调控下的超导行为及其机制进行了深入研究。LiFeAs和LiFeP在高压条件下，超导转变温度Tc随压力增加线性下降； NaFeAs高压调控下的超导行为完全不同，Tc在约3GPa时有一个极大值31K，对应于其晶体结构参量As-Fe-As的夹角随压力调控的极大值。这一结果明确表明了NaFeAs超导体中超导转变温度和晶体结构密切关联，并为寻求压力调控超导演化的结构起源提供了重要实验依据，同时为从结构设计上探寻新的铁基超导提供了重要信息。. 在该项目资金支持下，在上述工作的基础上，我们共发表12篇SCI文章，顺利完成项目预期目标，并且“111”型铁基超导体相关持续工作于2012年获得北京市科学技术二等奖。