南京大學王華兵團隊：鐵基高溫超導體的超導向列態研究的最新進展

【成果簡介】

國家“千人計劃”王華兵教授、李軍副教授等團隊成員在吳培亨院士的關心和指導下，采用微納結構鐵基超導單晶器件作為研究對象，通過多方合作（包括中科院物理所袁潔研究員、日本國立物質材料研究機構山浦一成教授、比利時魯汶大學L. Chibotaru教授、比利時安特衛普大學G. Van Tendeloo教授、華中科技大學脈沖強磁場國家實驗室（籌）李亮教授等團隊），系統研究了超導態的電子結構向列態序，發現了超導轉變以下的面內各向異性磁阻和上臨界磁場具有明顯的二重對稱性，這種超導態的電子結構是一種全新的向列態序，其形成機制也有別于已知的結構向列態。該工作以“Nematic superconducting state in iron pnictide superconductors”為題于2017年12月1日發表在Nature Communications。南京大學超導電子學研究所李軍副教授、比利時魯汶大學P. J. Pereira博士、中科院物理所袁潔研究員為論文的共同第一作者，王華兵教授、山浦一成教授和L. Chibotaru教授為該論文的共同通訊作者，該工作由吳培亨院士指導完成，并得到超導電子學研究所各位老師的大力支持。

【圖文導讀】

圖1 樣本幾何示意圖

a）圓形電極（Corbino）鐵基超導測試器件結構示意圖

b）122相鐵基超導面內晶格結構和磁場旋轉方向

c）欠摻雜Ba_0.75K_0.25Fe₂As₂樣品面內各向異性磁阻和磁場旋轉角度的關系

圖2 上臨界場和相圖

a）第二磁場的角度依賴性

b）鐵基超導體的相圖

【研究內容】

鐵基高溫超導被普遍認為是由于自旋漲落引起的高溫超導配對機制，但鐵基超導的電子配對到底具有何種對稱性還頗具爭議。在鐵基超導體的超導相圖中，欠摻雜區域有一個反鐵磁序的區域，而大量的研究成果證實，在反鐵磁序轉變溫度以上，出現了一個電子結構序的向列態，該向列態表現為四方相旋轉對稱性破缺，并伴隨有從四方相到正交相的結構相變。在反鐵磁序區域，斯坦福大學Fisher教授課題組在Science上已有三篇文章報道了磁阻面內各向異性的結構相變相關的向列態，隨后美國萊斯大學的戴鵬程教授課題組在Science上報道了面內各向異性中子散射，京都大學的Matsuda教授課題組在Nature期刊也報道了面內各向異性磁矩。在超導相變過程中，自由電子逐步配對是否也會誘發新的電子結構向列態序？在遠低于超導轉變溫度的區域，如果庫珀對被足夠強的外場（如磁場）拆對，電子結構向列態序是否會出現？這些都是亟需回答的問題。

研究團隊利用RISE前期自行研發的原位真空制備裝置，制備了Ba_0.5K_0.5Fe₂As₂鐵基超導單晶微納器件，并利用環狀電極結構（Corbino），有效克服了鐵基塊體單晶研究中的電輸運信號測量精度低、樣品均勻性和可靠性欠佳等問題。實驗中以穩態磁場和脈沖強磁場為抑制超導的研究手段。對于最佳摻雜超導來說，面內各向異性磁阻和上臨界磁場具有一個明顯的二重對稱性存在。脈沖強磁場下的實驗表明，在低于超導溫度4.5K以下，該二重對稱性仍然存在，值得注意的是該各向異性發生在Fe-Fe鏈之間。這種面內磁阻的各向異性通常被認為是由于結構相變引起的對稱性破缺。然而奇怪的是，從相圖中可以看出，最佳摻雜樣品不存在結構相變，早先的低溫結構分析也沒有觀測到任何結構相變。相比之下，對于欠摻雜的樣品來說，面內各向異性磁阻存在一個更為復雜的二重+四重對稱性。其中較強的二重性存在于Fe-As鏈之間，這主要是由于在該區域的結構相變引起的。而其較弱的四重性（或者二重）則來自于其他因素。詳細的理論計算得出了這種對稱性破缺來自于混合的超導序參量，即s波加d波對稱性。對于這種超導態下電子結構的向列態序所導致的C2對稱性來說，其形成機制應有別于上述的結構向列態，本研究中定義為超導向列態。該工作對于探索高溫超導配對機制及其動態過程有著重要的實驗意義，也為高溫超導體從微納結構器件角度探索超導本征物理性能和機制提供了一個重要的研究方向。

本工作以南京大學超導電子學研究所為主要研究平臺，受到國家自然科學基金委、科技部、“千人計劃”等項目的資助。

原文鏈接：http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48286

文獻鏈接：Nematic superconducting state in iron pnictide superconductors（Nat.Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-02016-y）

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