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于偉強教授、雷和暢副教授和俞榕教授課題組在鐵硒超導的高壓核磁共振研究方向取得重要進展

| 2016-12-08


于偉強、雷和暢、俞榕 研究組 供稿 


對鐵硒塊材(FeSe)、插層鐵硒以及單層鐵硒薄膜等鐵硒基高溫超導材料的物性研究成為當前凝聚態物理領域的前沿熱點之一。其中,鐵硒塊材表現出不同于多數鐵砷基高溫超導材料的向列序、磁學和超導現象。鐵砷基材料中向列序往往伴隨著條紋狀磁有序結構的產生,而FeSe塊材有高達90K的向列序(結構)相變以及8K左右的超導相變,卻沒有任何磁有序的跡象。而壓力下的研究表明該材料的向列序被壓制,繼而形成了反鐵磁序和轉變溫度高達38K的高溫超導現象。這種非常奇特的向列序、反鐵磁、和超導之間的關系被認為是理解鐵基高溫超導機理的關鍵。而其中一個核心問題,即壓力誘導的鐵硒塊材的磁結構,卻一直沒有直接的實驗測定。

最近,中國人民大學物理系的于偉強教授、雷和暢副教授和俞榕教授三個課題組對該問題進行聯合攻關,生長了高質量FeSe單晶,開展了最低溫至50 mK的高壓核磁共振研究,并結合理論的理解,最終測定該材料的高壓磁結構并發現高壓下向列序和磁有序相互伴隨發生一級相變,成功解決了當前該材料研究中所面臨的多項困惑。目前該項工作成果已經在國際物理學界權威的專業期刊之一《物理評論快報》上發表。

  

該團隊使用氣相輸運和助熔劑結合的方法合成出核磁共振譜線非常窄的高質量單晶,并使用2015年成功搭建的稀釋制冷核磁共振譜儀系統,通過提高均勻壓力環境,成功探測到高壓下不同溫度和磁場條件下的核磁共振譜。通過核磁共振譜和自旋晶格弛豫率的分析,得到的重要結果可以通過右側相圖描述:

1)首先確認FeSe在高壓下形成和鐵砷基相似的條紋型反鐵磁結構(S-AFM)。但區別于其它大多數鐵砷基材料,該材料的磁有序可能存在一個沿晶體c軸的分量。

2)發現四方結構(Tetragonal)到正交結構相變(Otrhorhombic)標示的向列序相變溫度TS先隨壓強下降,然后又伴隨磁相變上升;

3)雖然交流磁化率發現超導轉變溫度(TC)隨壓強上升,但核磁共振沒有發現體超導以及超導和磁性共存的特征,表明超導和磁有序的強烈競爭。。

這些結果表明電子向列序和磁有序在強烈耦合;同時條紋磁有序的存在表明該材料中短程自旋阻挫的磁相互作用仍然是決定該材料磁學性質的主要因素,這對于理解高壓誘導的高溫超導機理也有重要啟示意義。這項工作不僅闡明了FeSe材料中磁性、電子向列相和超導之間的關聯,并把FeSe和其他鐵砷基材料重新統一起來,為尋找普適的高溫超導機理提供了重要依據。這項工作得到了國家自然科學基金、科技部、中央高校研究基金以及中國人民大學研究基金的支持。

論文信息:

  P.?S. Wang, S.?S. Sun, Y. Cui, W.?H. Song, T.?R. Li, Rong Yu*, Hechang Lei*, and Weiqiang Yu*, Pressure Induced Stripe-Order Antiferromagnetism and First-Order Phase Transition in FeSe, Phys. Rev. Lett. 117, 237001 (2016),

  .