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铁基超导体的探索研究新进展

编辑:phyqianyg 时间:2016年09月20日 访问次数:2103

超导电性是一种宏观量子现象,处于超导态的超导体具有零电阻和完全抗磁等奇妙特性,其应用前景广阔而深远。2016年以来,浙江大学物理系曹光旱教授课题组在新型铁基超导体的探索方面取得若干重要进展。他们依次报道了“1111”型新超导体ThFeAsN、新型铁磁超导体RbEuFe4As4CsEuFe4As4以及含双FeAs层的KCa2Fe4As4F2等超导体的发现。现分述如下:
1.双Fe2As2层超导体KCa2Fe4As4F2的结构设计与合成
目前已知的两类高温超导体--铜基和铁基超导体拥有诸多共性。在晶体结构方面,两者分别以准二维的CuO2面和Fe2As2层作为超导活性层,并与其他间隔(spacer)原子层交互生长形成。这种特性使我们可以通过替换间隔层制备新的超导体。铁基超导体中的Fe2As2层要么是被隔离的单层,或是仅被单原子隔开形成无限层,而在铜基超导体中常见的双层或多层CuO2面结构却尚未在铁基超导体中发现。那么,能否用结构设计的策略合成出含有双Fe2As2层的新型超导体?
数年前,曹光旱及其合作者基于铁基超导体的晶体结构特征提出若干种新的结构类型,其中即包含这种具有双Fe2As2层的新型超导体[Chin. Phys. B 22, 087410 (2013)]最近,他们成功合成出含有双Fe2As2的五元化合物铁基超导体KCa2Fe4As4F2,其超导临界温度达到33K。该超导体由ZrCuSiAs结构的CaFeAsFThCr2Si2结构的KFe2As2交互生长而成(如图所示)。Fe2As2层由碱金属离子K+所联结,因而每个Fe2As2上下两侧的化学环境不同与大多数铁基超导体另一不同之处是,由于“自掺杂”效应,KCa2Fe4As4F2无需通过化学掺杂即呈现出大块超导电性。研究还证实,它属于空穴掺杂型超导体。相关论文发表于《美国化学学会会刊》 (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7856−7859)
2.新型铁磁超导体AEuFe4As4 (A = Rb, Cs)
超导电性与铁磁性是两种相互对立的物理现象,寻求两者共存的所谓铁磁超导体是超导领域科学工作者的长期(可追溯到上世纪50年代末)追求目标。1970年代后期以来,人们相继发现了一些磁性超导体,其中一些被看成是铁磁超导体的候选对象。然而,并未能同时观察到大块超导和完全铁磁排列现象。
2009年,浙江大学曹光旱与许祝安课题组在铁基超导家族里发现一个特殊成员:掺磷的EuFe2As2可同时显示出超导与铁磁双重现象(Phys. Rev. Lett. 102, 137002)。2014年,该铁磁长程序被中子衍射实验所证实。然而,其大块超导电性特征还不够明显(例如,比热跳变很小),此外Eu2+离子自旋的具体排列方式亦有争论。该研究组对此类铁磁超导体进行数年的持续研究。最近,他们成功地将Eu原子层部分地(每隔一层)替换为非磁的RbCs原子层(参见附图右上部),得到了两种孪生化合物AEuFe4As4 (A = Rb, Cs)。在这两种材料中,他们同时观察到体超导和Eu2+离子自旋的完全铁磁性。相关成果发表在Phys. Rev. B 93, 214503 (2016)Editors’ Suggestion)和Science Bull. 61, 1213 (2016)上。
附图(a)(b)显示CsEuFe4As4样品的直流磁化率和比热的温度依赖关系。可以在15.5K35.2K看到两个明显的转变。一般地,低磁场下直流磁化率可测定样品的超导体积分数。图中可以看出,超导磁屏蔽分数(零场冷却数据)在最低温度下近乎达到100%。这表明确为大块超导电性(由下图明显的比热跳变进一步证实)。有意思的是,场冷磁化率在16K以下变为正值(不再具有抗磁性)。进一步的磁场依赖的磁化曲线[(d)]表明铁磁序的形成。需要指出的是,低温下超导电性依然存在。这可以从初始磁化曲线为负值以及高场下的磁化曲线不重合现象做出判断。该研究组还注意到另一个有趣现象:即在铁磁转变时无比热跳变,仅看到一个转折(其导数不连续),提示它是个罕见的三级热力学相变。
3.“1111”型超导体ThFeAsN
ZrCuSiAs结构类型的“1111”材料是首个被发现的铁基超导体,铁基超导的大块超导电性的最高Tc记录即存在于这类材料中。其晶体结构包含FeAs超导层以及各种间隔层。改变间隔层的化学组成可产生十余种超导体(或超导母体)。已报道的间隔层包括氧化物R2O2R = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Np, Pu)和氟化物Ae2F2Ae = Ca, Sr, Ba, Eu)。
近期曹光旱教授课题组与山东理工大学王操副教授(系浙江大学物理系2010届博士毕业,曾获2013年全国百篇优秀博士学位论文提名)合作,发现了首个以氮化物作为间隔层的1111型新超导体ThFeAsN。该超导体的鲜明特点是:它无需通过化学掺杂即呈现出Tc30K的超导电性。相关论文发表在《美国化学学会会刊》(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2170-2173)上。