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新型铁基超导体的自旋激发与中子自旋共振研究

2020-12-02阅读(760)

新型铁基超导体的自旋激发与中子自旋共振研究

论文摘要

自铜氧化物高温超导体被发现以来,其超导机理一直是凝聚态物理学研究中的重大难题。因其机理不能被常规的BCS理论解释,故也和重费米子超导体等一起被称作非常规超导体。直到2008年,高温超导家族第二个材料体系――铁基超导体的发现,再次掀起了高温超导研究的热潮。人们开始总结这两个高温超导体系的特点,以期获得启发,进而解决高温超导机理这个科学难题。通过对比发现,这两个体系有一个显著的共同点,即其母体材料通常是反铁磁体,通过化学掺杂等方式可以逐渐抑制反铁磁序,进而诱导出超导,并往往在长程反铁磁序即将消失的临界点实现最佳超导电性。因此普遍认为:高温超导电性可能和磁性相互作用密切相关。中子散射是研究凝聚态物质中磁性的重要手段。科学家们利用中子散射技术已经在高温超导研究中取得了一系列的进展,其中代表性的结果就是在系列非常规超导体的低能自旋激发中发现的中子自旋共振模。中子自旋共振模是材料进入超导态以后,低能自旋激发在其母体反铁磁波矢附近产生的具有特定能量的集体激发模式,其共振强度的温度依赖关系类似于超导的序参量。中子自旋共振的能量也被证明可以和超导转变温度以及超导能隙很好地线性标度在一起。因此,自旋共振模可以作为磁激发诱导高温超导中电子配对的有效证据。本文的内容也将围绕铁基超导体的磁激发与中子自旋共振模展开。我们利用中子散射技术,对Ca1-yLayFe1-xNixAs2（112体系）及CaKFe4As4（1144体系）这两个新型铁基超导体系展开系统的研究,研究结果帮助我们加深了对铁基高温超导体的超导电性、磁性,以及二者关联的理解。本文的研究内容将包括以下几部分:第一,利用输运测量及中子衍射技术描绘了Ca1-yLayFe1-xNixAs2这一新型112体系铁基超导体的三维相图。我们利用CaAs作为助熔剂,成功制备出较大尺寸且具有完全抗磁性的112型铁基超导单晶。随后,利用电、磁输运测量,结合中子衍射技术,我们得以描绘出Ca1-yLayFe1-xNixAs2的三维相图:结果表明,在Fe位掺杂引入Ni,可以逐渐抑制反铁磁序,进而诱导出最佳超导电性,反映了反铁磁序与超导电性共存与竞争的关系。第二,利用非弹性中子散射技术详细研究了Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2的中子自旋共振模,并确认了其自旋共振能量与Tc的线性标度关系。通过极化中子散射发现该自旋共振模是近乎各向同性的,这一点和理论中关于其从自旋单态到自旋三重态这一集体激发模式的要求相一致。第三,利用非弹性中子散射测量了新型1144型铁基超导体CaKFe4As4的自旋激发,我们在能量为9.5 meV、13 meV、18 meV附近共发现了三个自旋共振模,这里的多重自旋共振模与铁基超导材料中多重费米面嵌套相契合,且这里的三个自旋共振能量均可以和对应的嵌套费米面上的超导能隙值线性标度在一起。更重要的是,18 meV附近的自旋共振模在动量空间的L方向呈现出偶数调制的行为,即在偶数位置处共振强度出现极大值,我们把这个共振模式称作“偶模”,这是第一次在铁基超导体发现“偶模”。经过仔细分析对比,我们发现这里出现的“偶模”与双层铜氧化物高温超导体中出现的“偶模”很相似,可以用双层结构内层间强的磁性耦合来解释。由此,可知高温超导体的铜基和铁基两个体系在自旋共振上应有着共同的本质,这暗示着两个体系有共同的高温超导机理。第四,我们利用极化中子散射分析了CaKFe4As4中自旋激发的各向异性,确定了CaKFe4As4中9 meV附近为c方向极化的自旋共振模,12 meV附近为面内分量占优的自旋共振模,18 meV附近的偶数模为各向同性的共振模。此外,CaKFe4As4中的自旋各向异性与Tc偶合在一起,意味着与这种自旋激发各向异性相关的自旋轨道耦合可能与超导电性密切相关。第五,我们利用飞行时间谱仪测量了Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2和CaKFe4As4的自旋激发全谱,两个材料自旋激发的色散行为和电子掺杂的BaFe2As2体系的结果非常相似,在磁布里渊区的边界其自旋激发的带顶出现在220 meV附近,显示出铁砷基超导体普遍相似的磁性相互作用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 引言
  •   1.1 超导的研究历程
  •     1.1.1 超导材料的发现历程
  •     1.1.2 超导机理的发展历程
  •   1.2 铁基超导体
  •     1.2.1 铁基超导体的晶体结构与磁结构
  •     1.2.2 铁基超导体的相图
  •     1.2.3 铁基超导体的电子结构
  •   1.3 中子散射
  •     1.3.1 中子的基本性质与中子散射
  •     1.3.2 中子散射的基本原理
  •     1.3.3 中子散射理论
  •     1.3.4 中子散射谱仪与技术
  •   1.4 铁基超导体中的自旋激发
  •     1.4.1 铁基超导体中的自旋波
  •     1.4.2 铁基超导体中的自旋激发随掺杂的演化
  •   1.5 本章总结
  • 1?yLayFe1?xNixAs2的单晶生长与相图研究'>第二章 112型铁基超导体Ca1?yLayFe1?xNixAs2的单晶生长与相图研究
  •   2.1 112 型铁基超导体概述
  • 1?yLayFe1?xNixAs2的单晶生长'>  2.2 Ca1?yLayFe1?xNixAs2的单晶生长
  • 1?yLayFe1?xNixAs2单晶的表征'>  2.3 Ca1?yLayFe1?xNixAs2单晶的表征
  • 1?yLayFe1?xNixAs2的单晶中子衍射及三维相图'>  2.4 Ca1?yLayFe1?xNixAs2的单晶中子衍射及三维相图
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 112型铁基超导体的中子自旋共振模
  •   3.1 中子自旋共振模
  •   3.2 铁基超导体自旋共振模的研究现状
  •     3.2.1 自旋共振能的色散
  •     3.2.2 自旋共振强度的调制行为
  •     3.2.3 自旋共振模在自旋空间的各向异性
  • 0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2中的中子自旋共振现象'>  3.3 Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2中的中子自旋共振现象
  •     3.3.1 掺杂组分的选取与单晶准备工作
  •     3.3.2 非弹性中子散射与自旋共振模
  •     3.3.3 极化中子散射
  • 0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2的电子结构与中子自旋共振'>  3.4 Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2的电子结构与中子自旋共振
  •   3.5 本章小结
  • 4As4的中子自旋共振模'>第四章 1144型铁基超导体CaKFe4As4的中子自旋共振模
  •   4.1 背景与研究动机
  •   4.2 中子散射单晶样品的准备工作
  •   4.3 非弹性中子散射实验与中子自旋共振模
  •   4.4 总结与讨论
  •   4.5 本章小结
  • 4As4的自旋各向异性'>第五章 CaKFe4As4的自旋各向异性
  •   5.1 背景与研究动机
  •   5.2 极化中子散射实验
  • 4As4的自旋各向异性'>  5.3 CaKFe4As4的自旋各向异性
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 112型与1144型铁基超导体的自旋激发谱
  •   6.1 研究动机与中子散射实验
  • 0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2的自旋激发谱'>  6.2 Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2的自旋激发谱
  • 4As4的自旋激发谱'>  6.3 CaKFe4As4的自旋激发谱
  •   6.4 本章小结
  • 第七章 全文总结与展望
  • 参考文献
  • 个人简历
  • 发表文章目录
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 谢涛

    导师: 李世亮

    关键词: 高温超导,铁基超导体,中子散射,中子自旋共振,自旋激发

    来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

    分类号: O511.3

    总页数: 132

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