高分辨迁移率谱方法研究铁基超导体的多带效应及相关机理

Iron-based superconductors, bearing great similarities to cuprates, are unconventional superconductors and important systems to investigate high temperature superconductivity mechanism. The intrinsic multiband effect and abundant quantum order states make them promising candidates for providing useful clues in high temperature mechanism exploration. Meanwhile, the complex band structure also brings difficulties in investigating the physical origin of these quantum order states (including superconductivity). The mobility spectrum method is an effective tool in investigating the band structure and the related mechanisms in multiband superconductors. The present project plans to develop high resolution mobility spectrum method. On the basis of growth of high quality iron-based superconducting single crystals with different doping levels, the evolutions of charge carrier density and mobility of each band with temperature, pressure, and doping are scheduled to be studied via measurements of the normal-state magneto-resistivity and Hall Effect, as well as mobility spectrum calculation. Through measurements like transport, magnetization, specific heat, and etc., combined with multiband fitting, we plan to determine the critical parameters of each quantum order state in iron-based superconductors and their evolution with doping and pressure. Besides, through comparisons of the evolution feature of each quantum order state and the mobility spectrums, the correlations between these quantum order states and the each energy band, and also the correlations among these quantum order states will be studied. The present project is aimed at providing strong experimental evidences for the final understanding of the occurrence mechanism of these quantum order states, especially the physical origin of high temperature superconductivity.

铁基超导体是与铜氧化物超导体极为相似的非常规高温超导体，是研究高温超导机理的重要体系。其本征的多带效应、丰富的量子有序态，使之有希望为高温超导机理研究提供有益的线索，但同时，其能带结构的复杂性，也为量子有序态（包括超导态）的物理起源研究带来了一定的困难。迁移率谱是研究多带超导体的能带结构及相关机理的有效手段。本课题拟发展高分辨迁移率谱的计算方法。在制备不同掺杂的高质量铁基超导单晶样品基础之上，通过正常态磁电阻、霍尔电阻的测量以及迁移率谱的计算，研究各能带的载流子浓度、迁移率随温度、压力、掺杂的变化规律；通过传输、磁化、比热等测量，结合多带模型拟合，确定铁基超导体中各个量子有序态的临界参数及其随掺杂、压力的演化规律；通过对比量子有序态、迁移率谱的演化特征，探索量子有序态与各个子能带的关联，及其相互关联。为最终理解量子有序态的产生机理，特别是高温超导电性的物理起源，提供有力的实验依据。

铁基超导体由于其准二维的层状结构、丰富的量子有序态、非常规超导特性和本征的多带效应，成为了研究高温超导机理的崭新平台和凝聚态物理的前沿课题。但是，由于其复杂的能带结构，使得研究该体系中各量子有序态之间的关联和起源充满困难和挑战。本项目中，我们发展了高分辨迁移率谱分析方法，利用化学气相输运法、水热法、自助溶剂法制备出了FeSe1-xSx、FeSe、H-FeSe、PtBi2、TaAs和Ag3Sn一系列高质量的单晶样品，通过掺杂、压力、氢化等方法对其量子有序态进行了有效调控，并基于磁电阻和霍尔测量数据进行迁移率谱计算和分析，研究了各能带的载流子浓度和迁移率随温度、压力和掺杂的演化，及其与各个量子有序态之间的关联，从而研究了量子有序态的产生机理。主要研究成果如下：（1）通过与传统迁移率谱方法对比，采用数值积分替代解析积分，引入最大熵原理、分段拟合方法和拉格朗日乘子法，得到高分辨率、高容噪性的迁移率谱分析方法；（2）采用水热法成功合成不同S掺杂含量的FeSe1-xSx单晶样品，首次获得了完整的掺杂相图。基于磁电阻和霍尔测量，结合高分辨迁移率谱计算和第一性原理计算结果，发现Tc并未表现出与总载流子浓度的直接关联，而应该是通过与键长、键角等直接相关的原子间交换耦合强弱来进行调控的；（3）通过高压、离子液体氢化法调控FeSe单晶中的超导转变温度，发现了几种分立的超导态（Tc最高达到44K），并对不同压力下、不同氢化程度的FeSe单晶进行了迁移率谱计算分析，发现高度对称的高迁移率峰可能与超导涨落密切相关，而低迁移率的载流子可能与超导Tc紧密相关。（4）利用自助溶剂等方法制备出高质量Ag3Sn、TaAs和PtBi2单晶，并通过高分辨迁移率谱分析，定量地研究了普通费米子、狄拉克费米子、外尔费米子对电输运的贡献，及其随温度、磁场的演化规律。总之，本项目的研究成果，为弄清楚高温超导机理提供了重要的线索和实验依据，对理解新型拓扑量子材料的低场量子振荡、不饱和磁电阻起源有帮助。