层状铁硫族超导体强磁场下电输运特性及相关机理的研究

The relationship between unconventional superconductivity and other quantum order is now a very hot topic of condensed matter physics. Layered iron chalcogenide compound is one of the best candidates to study this issue because various quantum orders are found in this system coming from their quasi-two dimensional structures and advantage to doping and intercalating. In this project, we will firstly grow single crystals of high-quality by self flux method and controllable post-treating, and try to adjust the quantum orders by magnetic (non-magnetic) ions doping, intercalating between layers, applying high fields. We also plan to characterize the electronic transport properties to study the relationship between doping level, effective mass of charge carriers, multiband effect, spin density wave (SDW) fluctuation and superconductivity. On the other hand, we will measure the superconducting transition under high field to study the anisotropy of spin paramagnetic and spin orbital effects, as well as their relationship between the orientations of superconducting paring electron spins and orbits. The research above need to use the electric transport measurement system with high field and SMA (STM-MFM-AFM) combined microscopes in High Magnetic Field Laboratory of the Chinese Academy of Sciences. Based on the research above, we will further study the relation between superconductivity and SDW fluctuations, and try to probe the paring mechanism of iron chalcogenides, and accumulate some experimental data for the understanding of unconventional superconducting mechanism.

非常规超导电性与其它量子序之间的关系是凝聚态物理的研究热点。层状铁硫族超导体的准二维结构、易于掺杂和插层等特征，使得该类材料中存在丰富的量子有序态，是研究这一问题的最佳体系之一。本项目拟采用自助熔法和精确可控的后处理工艺，制备高质量的掺杂样品；通过（非）磁性离子的插层、掺杂以及施加强磁场等方式，调控层状铁硫族超导体内的各种量子有序态；利用中科院强磁场科学中心的电输运测试平台等强磁场实验平台，测量不同掺杂样品强磁场下电子的电输运特性，研究掺杂浓度、载流子有效质量、多带效应、自旋密度波（SDW）涨落与超导电性的关联；测量强磁场下超导转变特性，研究自旋顺磁效应、自旋轨道效应的各向异性，及其与超导配对电子自旋、轨道取向的关联；在此基础上，进一步研究超导电性与SDW涨落之间的关系，探索铁硫族超导体的超导配对机制，为理解非常规超导体的超导机理积累一些相关的实验数据。

层状铁硫族超导体Fe1+yTe1-xSex是铁基超导家族中结构最简单的超导材料,具有丰富的磁性和超导量子有序态。层间多余铁的存在，使得该体系的物理性能变得纷繁复杂并且易于调控，是研究磁性与超导之间的关联，解决铁基高温超导机理的理想体系。本项目中，我们利用自助熔剂法、气相传输(CVT)法和脉冲激光沉积(PLD)法成功制备出了Fe1+yTe1-xSex、FeSe等一系列单晶和薄膜样品。在中科院合肥强磁场中心和华中科技大学强磁场中心的电输运测试平台的支持下，对铁硫族超导样品进行了强磁场下的电输运特性测量，主要研究不同多余铁含量及缺陷对铁硫族超导体Fe1+yTe1-xSex、FeSe上临界磁场行为的影响以及超导配对机理。同时，为了验证物理规律的普适性，成功制备了高质量的112铁基超导单晶，并对其强磁场下超导物性和上临界磁场的行为进行了对比研究。此外，结合凝聚态物理前沿热点，还对大磁阻材料的强磁场特性进行了研究。主要研究成果如下：（1）通过气氛退火，成功制备了具有不同多余铁含量的一系列高质量单晶样品；采用PLD方法，成功制备出了具有不同Se含量的Fe1+yTe1-xSex薄膜样品，首次建立了Fe1+yTe1-xSex体系完整的掺杂相图，对研究和理解Fe1+yTe1-xSex体系超导机理有着非常重要的作用。(2)探明了铁硫族超导体Fe1+yTe1-xSex和FeSe的上临界场行为，研究发现在ab面内上临界场主要受到自旋顺磁效应的抑制，并且随着多余铁或者缺陷含量的增加，自旋顺磁效应逐渐被抑制，而在c方向上临界场随着温度的变化呈准线性行为。我们提出了一种基于面内自旋锁定的模型来解释不同方向的上临界场行为，为理解非常规超导体的超导微观机制提供了实验支持。（3）通过强磁场下的电输运测量，首次得到了112铁基超导体完整温区的上临界磁场及其各向异性行为，得到了与11体系基本一致的物理规律；另外，还对其磁通动力学行为进行了研究，得到了完整的磁通动力学相图。（4）首次在锡化物RhSn4和Ag3Sn中发现了不饱和线性大磁阻现象，观察到了明显的量子震荡，明确了该材料线性大磁阻的起源，为寻找更多的新奇量子材料奠定了基础。