復旦大學物理系趙俊課題組：揭示電子摻雜鐵硒超導體中“扭曲”的磁激發結構
【成果簡介】
近日，復旦大學物理系趙俊課題組發現新型鐵基超導體Li0.8Fe0.2ODFeSe中存在扭曲的磁激發結構，為理解高溫超導機理提供了新的線索。相關研究論文以題為“Structure of spin excitations in heavily electron-doped Li0.8Fe0.2ODFeSe superconductors”于2017年7月25日在國際權威雜志Nature Communications上發表。物理系博士后泮丙營（現為復旦大學青年研究員）和直博生沈瑤為該論文的共同第一作者。
【圖文導讀】
圖1 Li0.8Fe0.2ODFeSe中的磁激發結構
（a, b）拐點能量上下（22和66 meV）磁激發譜的橢圓長軸方向發生了90度旋轉。
（c, d）沿k方向的磁激發色散關系及RPA計算結果，60meV附近的色散關系出現了明顯的“扭曲”現象。RPA計算與低能（< 40 meV）磁激發色散關系吻合較好，但不能解釋高能“扭曲”的色散關系。
圖2 T=5和50 K時Li0.8Fe0.2ODFeSe的動態局部磁化率的能量依賴性
垂直和水平棒分別代表標準偏差和積分能量間隔。
【研究內容】
超導電性指的是材料在低溫下電阻完全消失的現象，這一現象的發現已有超過百年的歷史。大多數傳統超導體的超導轉變溫度較低（一般低于40 K，即-233℃），其機理可以用基于電子-聲子耦合的BCS理論來解釋。1986年和2006年相繼發現的銅氧化物和鐵基高溫超導體的超導轉變溫度都可以超過40 K，這不能用簡單的BCS理論解釋。到目前為止，高溫超導電性的形成機理仍然是凝聚態物理研究的重要難題之一。由于這兩類高溫超導電性都發生在反鐵磁不穩態的附近，因此確定高溫超導體的磁相互作用以及自旋動力學行為是理解超導機理的關鍵問題之一。
鐵基超導體可以粗略的分成鐵砷和鐵硒族兩大類，其中鐵硒類超導體因其奇異的磁性，向列性和超導特性成為了目前最受矚目的體系。例如，通過對鐵硒進行加壓、電子摻雜或者做成單層薄膜，其超導轉變溫度會得到迅速提升，其中單層鐵硒薄膜的超導轉變溫度可能可以超過65 K，這將高于鐵砷類超導體。更重要的是，與大部分鐵基超導體同時具有空穴和電子費米面不一樣，重電子摻雜的FeSe超導體和FeSe/STO單層薄膜都沒有空穴費米面，只有電子費米面，這對基于電子和空穴費米面相互作用而形成的s±配對模型提出了挑戰，因此電子摻雜鐵硒的超導機理是目前備受關注的問題。
Li0.8Fe0.2OHFeSe（超導轉變溫度為41 K）是新發現的電子摻雜鐵硒類超導體，與過去研究的存在相分離的堿金屬鐵硒超導體以及單層鐵硒薄膜不同，Li0.8Fe0.2OHFeSe沒有相分離，而且可以生長單相的大塊單晶，這為研究其磁性與超導電性的關系提供了理想的條件。趙俊教授課題組最近用水熱離子交換的方法成功的生長了大尺度、高質量的Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶，并用中子散射技術對其進行了磁激發譜的測量。結果發現該體系在布里淵區中以（π, π）為中心形成了罕見的環形自旋共振峰，這種其散射波矢與相鄰的兩個布里淵區邊界上的電子費米面之間的散射吻合。更奇異的是，隨著能量的升高，磁激發出現了由向外色散到向內色散的轉變，使得激發譜的色散關系呈現扭曲形狀，拐點發生在 60 meV附近，并且在拐點能量之上和之下自旋激發譜的動量結構旋轉了90度。這些結果首次完整揭示了電子摻雜鐵硒類超導體在動量-能量空間中的磁激發結構，這些新奇的磁激發結構無法用已有的理論計算結果完全重復。
更有趣的是，Li0.8Fe0.2ODFeSe中的磁激發結構與空穴型銅氧化物超導體中著名的沙漏型磁激發結構有許多相似的之處，后者的磁激發色散曲線上也有拐點，并且在拐點能量之上和之下發生了磁激發動量結構的旋轉。這與鐵砷類超導體和電子型銅氧化物超導體中的類自旋波的向外色散磁激發結構有明顯區別。因為電子型鐵硒超導體和空穴型銅氧化物超導體有相對較高的超導轉變溫度，這暗示扭曲的磁激發結構可能更有利于形成更高的超導轉變溫度。這些結果可以為建立可能存在的統一的高溫超導理論提供新的實驗依據。
該項研究的中子散射實驗在德國海因茨·邁爾-萊布尼茲中心的FRM-II中子源和美國橡樹嶺國家實驗室的SNS中子源完成，實驗過程得到了相關儀器科學家J. T. Park和A.D. Christianson的協助；其他合作人員包括美國橡樹嶺國家實驗室的T. A. Maier博士和北京師范大學的殷志平教授。該研究得到了國家自然科學基金面上項目和國家重點研發計劃的共同資助。
原文鏈接：http://phys.fudan.edu.cn/d0/42/c7609a118850/page.htm
文獻鏈接：Structure of spin excitations in heavily electron-doped Li0.8Fe0.2ODFeSe superconductors?(NAT COMMUN.，2017, DOI:10.1038/s41467-017-00162-x)
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