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科学家发现向列量子临界点及向列量子涨落导致电子有效质量增大

2018-10-31 12:01| 发布者: |来自: 中国科学院物理研究所

摘要: 常规超导的机制是两个电子通过交换声子(晶格振动的量子)形成电子对(库珀对),这些电子对的凝聚导致超导态。
  常规超导的机制是两个电子通过交换声子(晶格振动的量子)形成电子对(库珀对),这些电子对的凝聚导致超导态。原则上,其他类型的量子也可以起到类似声子的作用。例如,铜氧化物高温超导体中,有人认为两个电子通过交换顺磁振子(磁涨落的量子)可以实现非常规超导。

  铁基高温超导体中除磁有序及磁涨落外,还存在另一种序:电子向列序。这是一种与液晶相似的性质,即电子向列态破缺晶体的旋转对称性。近来,电子向列序的涨落对物性(超导)的影响(作用)成为人们关心的一个重要科学问题。最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郑国庆研究组(SC9组)的博士研究生王春光等人通过核磁共振测量发现,在NaFe1-xCoxAs的超导态下存在一个向列量子临界点(这里电子向列序消失),由此造成的量子涨落导致电子有效质量的增大。这个发现表明,电子向列序的涨落是一种新的量子,它与声子或顺磁振子一样,对物性有深刻的影响,有助于提高超导的转变温度。

  在多数铁基高温超导体中,反铁磁和电子向列序的转变温度非常接近,由它们外推得出的量子临界点不可区分。几年前,该研究组的周睿(现中科院特聘研究员)等人在靳常青研究组(EX5组)合成的NaFe1-xCoxAs样品上进行核磁共振实验,证实了该体系中存在反铁磁序和伴随结构相变的向列序(Phys. Rev. B 93, 060502(R) (2016).),并发现这是一个非常独特的体系。首先,不同于其他铁基超导体系,该体系的结构相变温度Ts与反铁磁相变温度TN在整个相图中一直相差很大。其次,该体系只需要2.7%的Co替代量就可以实现最高超导临界温度Tc,极大地减小了无序和杂质对量子临界现象的影响。因此,NaFe1-xCoxAs体系非常适合研究电子向列序的量子临界现象及它对超导的影响。但是,由于超导相的存在,探测T=0的量子临界点成为一个非常困难的课题。

  最近,两个研究组通力合作,用核磁共振方法研究零温London穿透深度λL(0)随掺杂x的变化。磁场在超导体中形成三角形或四角形的磁通格子,导致超导体内部磁场分布不均匀,空间不均匀的程度取决于London穿透深度,而核磁共振的谱展宽是探测不均匀磁场分布的有力手段。

  基于这个原理,研究团队发现λL(0)2在xM=0.027和xc=0.032处有两个非常尖锐的峰,如图1所示。通过测量自旋晶格弛豫率1/T1,他们发现由反铁磁自旋涨落导致的1/T1在低温下几乎不随温度变化(图2),这表明零温下交错磁化率发散性地增长,从而确认xM是反铁磁量子临界点。

  xc是向列序消失的位置,核磁共振和喇曼光谱研究结果都表明,正常态存在很强的向列序涨落。研究团队还发现,电阻率在这个位置呈现线性温度关系,进一步证明了向列序量子涨落对物性的影响。λL(0)2是表征零温性质的物理量,与电子有效质量m*成正比。因此,xc处穿透深度出现的峰说明在该处存在一个向列序的量子临界点,量子临界涨落导致m*的急剧增强。

  在反铁磁和向列序量子临界点不可区分的体系中,Tc随掺杂存在一个很明显的峰,其中心位于xM附近。而在NaFe1-xCoxAs体系中,即使远离xM,Tc也保持较高值且几乎不随掺杂变化,说明向列序的涨落可以增强超导配对。

  这项研究首次提供了超导态下存在向列序量子临界点的确凿证据,为理解高温超导机理提供了新的线索。相关研究结果已经发表于《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 121, 167004 (2018))。

  该工作得到国家自然科学基金(课题号11634015)、科技部(课题号2017YFA0302904, 2016YFA0300502)以及中科院先导B专项(XDB07000000)的支持。

    图1:(a)\(\lambda_{L}^{2}(0)\)随掺杂的变化,两个尖锐的峰表明电子有效质量在该处增大。(b) NaFe1-xCoxAs体系的相图。Ts为向列序转变温度,TN为反铁磁转变温度,Tc是超导转变温度。物理量θ是从1/T1得到的参量,用来衡量偏离磁量子临界点(θ= 0)的距离。

    图2:不同掺杂量样品中来自反铁磁涨落贡献的1/T1c随温度的变化。x = 0.027 样品在低温不随温度变化,表明其是反铁磁量子临界点。

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