《自然·物理》报道物理系铁基高温超导研究的最新成果

 

物理系助理教授李渭、陈曦教授和薛其坤教授在铁基高温超导体中条纹相的研究中获得了重要进展。利用低温扫描隧道显微镜他们对多层的硒化铁薄膜进行了系统的表征,发现该体系中的电子在其电荷自由度与其自旋自由度相互耦合,形成了全新的条纹相。这一发现实现了铁基高温超导体中条纹相的首次实验观测,以“Stripes developed at the strong limit of nematicity in FeSe film”为题,在线发表在7月17日的Nature Physics上。

近五年来,高温超导研究最重要的进展之一是由我系薛其坤教授团队开创的单层硒化铁/钛酸锶(FeSe/STO)界面高温超导电性的增强。FeSe作为该体系的“母相”,受到越来越多的关注。在低温时FeSe的旋转对称性被打破,其电子行为在正交晶格的两个方向表现出极大的不等价性(向列性,Nematicity),如:电阻的各向异性、不同轨道电子能带的大尺度劈裂以及实空间电子的二重对称性等等。而Nematicty与超导的关系也一直是研究的热点。FeSe的另一重要性质是其长程磁有序的缺失,这是铁基高温超导母体中的一个特例。有趣的是,加压会使其长程反铁磁关联迅速恢复到铁基超导体中常见的“共线”(Collinear)磁有序态。该体系中电荷、轨道、磁性与超导的关联,使得FeSe成为一个理想的研究平台,可用于揭示上述诸多复杂因素间的内在关系。

利用扫描隧道显微镜,李渭等人发现在FeSe薄膜中晶格对称性被进一步破缺的区域,如:点缺陷周围、相畴界处,会诱导出单向的条纹状电荷密度调制(Stripe-type charge ordering)(下图b)。值得注意的是,该调制对应全新的转变温度约60 K。这一特征温度低于FeSe中向列序的相变温度125 K。该相形成于Nematic转变温度以下,且FeSe薄膜中向列序的强度远大于其在FeSe单晶中的强度,因此条纹相极有可能是作为向列相的基态存在着,这一发现为铁基高温超导理论研究提供了全新的思路和出发点。

 

a:FeSe薄膜的形貌,“迷宫”样的条纹为向列相的畴界。b:在点缺陷周围可清楚的看到条纹相。

 

条纹相的周期与理论计算所预言的一个新的反铁磁态(Stripy order)相一致。FeSe被外延生长到STO衬底上会引入额外的拉应力,这样的调控可获得FeSe压力相图在负压时的宝贵信息。结合之前正压力研究的结果,FeSe的压力相图可表述为:在常压下,FeSe中的Collinear反铁磁序与Stripy反铁磁序相互竞争,表现为长程磁有序的缺失;在正压下,Collinear反铁磁序在竞争中获胜;而在负压下,体系的关联性变强,Stripy反铁磁序在竞争中获胜,并在电荷通道诱导出电荷密度调制。该相图完美解释了FeSe体系中主要的几个争论,为研究超导与磁的相互作用提供了重要信息。

这项研究的合作者还包括美国斯坦福大学的沈志勋教授、路东辉研究员和北京大学的张焱助理教授。项目得到了国家自然科学基金委员会、科技部国家重点研发计划和北京市优秀人才青年拔尖项目的资助。

文章全文链接: http://dx.doi.org/10.1038/nphys4186