非常規(guī)超導(dǎo)體中所呈現(xiàn)奇異量子物性的物理根源常常認(rèn)為來自于零溫下的量子相變及其相關(guān)漲落。在鐵基超導(dǎo)體中，通過對反鐵磁母體進(jìn)行載流子或等價(jià)位摻雜均可抑制反鐵磁性，并在磁性區(qū)域邊緣誘導(dǎo)出*超導(dǎo)電性。因此，在反鐵磁區(qū)和順磁區(qū)的零溫邊界處很可能存在磁量子臨界點(diǎn)，在其附近的有限溫度區(qū)域會(huì)因量子臨界特性而影響正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)物性，形成非常規(guī)超導(dǎo)電性。以“122”型鐵基超導(dǎo)體系為例，相關(guān)研究表明在電子型摻雜的Ba（Fe1-xCox）2As2和等價(jià)位摻雜的BaFe2（As1-xPx）2體系中就很可能在*摻雜點(diǎn)附近存在量子臨界點(diǎn)。進(jìn)一步要得到鐵基超導(dǎo)體中量子臨界點(diǎn)的有力證據(jù)，關(guān)鍵問題在于需要仔細(xì)描繪出體系的電子態(tài)相圖，尤其是在反鐵磁區(qū)域邊緣和*摻雜點(diǎn)附近的相變特征。

 

近年來，中科院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌） 超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的戴鵬程研究員及其團(tuán)隊(duì)在電子型摻雜鐵基超導(dǎo)體BaFe2-xNixAs2中針對量子臨界問題開展了一系列的中子散射研究。他們發(fā)現(xiàn)隨著電子摻雜濃度的增加，母體中的長程反鐵磁序在靠近*摻雜點(diǎn)附近會(huì)退化為短程非公度反鐵磁序，并與超導(dǎo)序之間存在直接競爭關(guān)系，并且*摻雜點(diǎn)附近不存在傳統(tǒng)的磁量子臨界點(diǎn)【Phys. Rev. Lett. 108, 247002 （2012）】。這一研究結(jié)論看似與Ba（Fe1-xCox）2As2和BaFe2（As1-xPx）2等體系的研究結(jié)果截然相反，也針對量子臨界點(diǎn)在非常規(guī)超導(dǎo)物性中的作用提出了疑問。

 

為深入探究鐵基超導(dǎo)體中量子臨界問題的物理根源，zui近，戴鵬程研究組的博士生魯興業(yè)、張睿和副研究員羅會(huì)仟等與加拿大多倫多大學(xué)的Hlynur Gretasson博士、Young-June Kim教授等人綜合利用彈性中子散射和同步輻射高精度X射線衍射技術(shù)，繼續(xù)對電子型鐵基超導(dǎo)體BaFe2-xNixAs2的磁相變和結(jié)構(gòu)相變開展了深入的合作研究，獲得了目前電子型“122”體系在*摻雜點(diǎn)附近zui為詳細(xì)電子態(tài)相圖。

 

他們發(fā)現(xiàn)，盡管母體中結(jié)構(gòu)相變溫度Ts和反鐵磁相變溫度TN是重合的，進(jìn)一步電子摻雜的引入使得系統(tǒng)進(jìn)入欠摻雜區(qū)域，Ts和TN逐漸下降并分開，溫度差距也逐漸增大，而后兩者又逐漸趨近，并有在*摻雜附近形成“雙量子臨界點(diǎn)”的趨勢（即兩者在同一摻雜點(diǎn)趨于零溫，見圖2）。然而，由于電子摻雜效應(yīng)同時(shí)誘導(dǎo)了短程非公度反鐵磁序的出現(xiàn)，使得系統(tǒng)尚未抵達(dá)相圖中零溫處便中止了結(jié)構(gòu)和反鐵磁相變，表現(xiàn)為 Ts和TN在*摻雜點(diǎn)x=0.1附近的有限溫度（Tc+10K）處再次重合到同一溫度點(diǎn) ，且反鐵磁矩在x=0.108附近*消失。即短程非公度磁有序在*摻雜點(diǎn)附近zui終“取代”了零溫下的量子臨界點(diǎn)，而將相變點(diǎn)推高至有限溫度處。在該相區(qū)內(nèi)，結(jié)構(gòu)畸變盡管在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc之下受到抑制，但直到低溫都一直存在，并且磁矩和結(jié)構(gòu)畸變有著相似的溫度依賴行為，表明體系中存在著磁彈性耦合。據(jù)此，美國萊斯（Rice）大學(xué)的斯其苗教授和Andriy Nevidomskyy教授基于Landau–Ginzburg相變理論提出了鐵基超導(dǎo)體中量子臨界的唯象物理模型。他們利用該模型成功解釋了因磁彈性耦合而導(dǎo)致雙量子臨界點(diǎn)的物理過程及其“被取代”的物理根源。該模型同樣適用于描述等價(jià)位摻雜材料中的量子臨界特性，從而統(tǒng)一解釋了鐵基超導(dǎo)中量子臨界特性的物理起源，對非常規(guī)超導(dǎo)體中量子臨界問題的研究有重要意義。該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在近期的Physical Review Letters上【Phys. Rev. Lett. 110, 257001 （2013）】。

 

上述研究工作中的高精度X射線衍射實(shí)驗(yàn)與加拿大多倫多大學(xué)的Hlynur Gretasson博士、Young-June Kim教授和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室NSLS同步輻射光源的劉雪榮博士合作完成，中子散射實(shí)驗(yàn)與瑞士散裂中子源（SINQ）的Mark Laver，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室HFIR中子源的Wei Tian，以及加拿大中子研究中心（CNBC）的Zahra Yamani等合作完成，理論模型和分析與美國萊斯（Rice）大學(xué)的斯其苗教授和Andriy Nevidomskyy教授合作完成。

 

該研究工作得到了*“973”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目以及美國和加拿大相關(guān)科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。