铁基超导体中铁位掺杂效应的核磁共振研究

Doping is a conventional method to control the physical properties of materials. It has wide application, such as semiconductor device. However, due to coupling among various degrees of freedom, the physical mechanism of doping effect on materials' properties is extremely complex in correlated electronic materials. The newly discovered high-Tc iron-based superconductor in 2008 is such kind of correlated electron material that doping could induce superconductivity. But the comprehensive understanding of the working mechanism of doping is not achieved up to now, especially for doping in conducting layer, which prevents us from understanding the superconductivity in this system. Systematic and intensive study is needed to elucidate the working mechanism of doping. In this project, we will use nuclear magnetic resonance(NMR) to study the doping effect at Fe site in iron-based superconductor. NMR has a great advantage in spectral resolution for local electronic state induced by doping and could achieve local study on doping effect which is not contaminated by surface effect. We will conduct study on spectral modification caused by doping at Fe site with various transition-metal and relevant knight shift and spin-lattice relaxation. Important information about doping effect on the global physical properties could be extractted from these measurements and relevant physical picture will be built up based on our results. After that, we will try to explore the doping effect on symmetry of superconductivity, electronic nematic phase and the coexistence of superconductivity and magnetism. This will give us crucial experimental clues for solving the superconducting mechanism in iron-based superconductor.

掺杂是调控材料物理性能的一种传统方法，其应用非常广泛，如半导体器件。而在关联电子材料中，由于多种自由度的相互耦合，使得掺杂影响材料性能的物理机制十分复杂。2008年发现的新型铁基高温超导体就是一类通过掺杂实现超导电性的关联电子材料，目前尚未对其掺杂作用机理形成系统完整的认识，特别是导电面内的掺杂作用，这极大阻碍了我们理解该体系的超导电性，亟需开展深入研究阐明其作用机理。本项目将利用核磁共振方法系统研究铁基超导体中的铁位掺杂效应。核磁共振对掺杂形成的局域电子态具有非常好的能谱分辨优势，能够实现对掺杂效应的局域研究，且不受表面效应影响。通过研究各种过渡金属元素在铁位掺杂对能谱的改变和相关奈特位移以及自旋-晶格弛豫率的测量，获得铁位掺杂对体系整体物理性能影响的重要信息，并建立相关物理图像。在此基础上，试图理解掺杂效应对超导对称性、电子液晶态和超导磁性共存的影响，为解决超导机理提供重要的实验线索。

本项目的主要目标是希望通过掺杂效应的研究揭示铁基超导体中的基本物理规律和新奇的物理现象。掺杂可以有效地引入载流子，从而该变体系的基态性质。在铁基超导体中，电子掺杂和空穴掺杂都可以产生高温超导电性，然而其机理并不是简单地改变载流子的浓度，其电子关联和能带结构都会发生一定程度的改变。通过本项目，我们对掺杂效应进行了深入的研究，我们把主要研究体系放在了具有122结构的铁砷基超导体和11结构的铁硒基超导体。我们发现，在重空穴掺杂的铁砷基超导体AFe2As2 (A= K, Rb, Cs)中，电子-电子关联效应相比于母体化合物BaFe2As2具有显著的增强，因此不能简单的利用刚带模型来理解空穴掺杂。通过系统的核磁共振实验，我们发现该体系具有巡游与局域共存的特征。由于巡游与局域电子之间的耦合，体系在低温下会呈现出一个全新的相干电子液体态。这一转化过程非常类似于重费米子材料中的非相干-相干转变，因而可以理解成是一种3d电子系统中的重费米子液体态。通过我们的核磁共振，我们观察到了一系列对应的实验现象，例如奈特位移反常和自旋-晶格弛豫率的标度行为等，这些结果表明重空穴掺杂的铁砷基超导体AFe2As2 (A= K, Rb, Cs)可以被视为是一种3d电子版的重费米子超导体。除此以外，我们在重空穴掺杂的铁砷基超导体AFe2As2 (A= K, Rb, Cs)基础上继续进行Fe位的电子和空穴掺杂，发现Fe位的空穴掺杂具有很强的局域磁矩行为，并且会在掺杂浓度较高时形成磁有序，而电子掺杂则不会形成明显的局域磁矩行为且没有磁有序形成。这一结果表明，在重空穴掺杂的铁砷基超导体AFe2As2 (A= K, Rb, Cs)中的Fe位的掺杂效应与母体化合物BaFe2As2非常类似，因而不随体系关联强度的大小而改变。另外，本项目还对结构最简单的FeSe超导体及在其基础上衍生出的(Li0.8Fe0.2)OHFeSe超导体进行了核磁共振研究，揭示了电子掺杂对体系高温超导电性的作用。