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高温超导材料的最新研究高温超导材料是指能在相对较高的温度下表现出超导特性的物质。
与传统低温超导材料相比，高温超导材料具有更高的临界温度和更简单、便利的制备工艺，因此被广泛研究和应用。
本文将介绍高温超导材料的最新研究进展，包括其基本原理、主要类别以及各类材料的最新研究成果。
基本原理超导现象是指在低温下某些金属和化合物的电阻突然变为零，并且磁场在材料内部完全排除的现象。
传统低温超导材料的临界温度一般在几个开尔文以下，而高温超导材料则可以在液氮温度（77开尔文）以上达到超导态。
这种突破给超导技术的实际应用带来了革命性的变化。
目前，关于高温超导机制的理论尚不完善，但普遍认为其与电子对相关效应密切相关。
一种被广泛接受的解释是，在某些复杂氧化物材料中，由于电子分布和晶格结构之间的相互作用，电子会形成库珀对（Cooper pair），从而引起超导现象。
主要类别高温超导材料可以分为铜基、铁基、钴基等几类。
其中，铜基高温超导体是最早被发现和研究的类别，其典型代表是YBa2Cu3O7-x（YBCO）和Bi2Sr2CaCu2O8+x（BSCCO）等化合物。
这些材料具有较高的临界温度和良好的工程可塑性，已经在许多领域得到广泛应用。
近年来，铁基高温超导材料受到了极大关注。
该类材料由于晶格结构复杂而引起科学家们浓厚兴趣，并且具有与铜基材料相近甚至更高的临界温度。
铁基高温超导体的代表性物质包括LaFeAsO、BaFe2As2等。
钴基高温超导体则是最新被发现和研究的一类材料。
这类物质具有自旋三重简并性等特点，在其晶格结构中存在着一些特殊的超导对称性。
目前对钴基高温超导材料的研究仍处于初级阶段，但其临界温度已能达到数十开尔文。
最新研究进展铜基高温超导材料近年来，关于铜基高温超导材料的研究主要集中在改善其电流输运性能和稳定性方面。
例如，科学家们通过控制样品形貌和微观缺陷来改善YBCO薄膜的电流密度和临界电流密度。
此外，还有一些研究致力于理解铜基高温超导材料中电子对形成机制以及配位异质结构对其性能的影响。
高温超导材料的应用与研究进展目录一、引言二、高温超导材料的定义与特点三、高温超导材料的应用领域3.1 能源领域3.2 电子领域3.3 医疗领域3.4 航天航空领域四、高温超导材料的研究进展4.1 新型高温超导材料的发现4.2 实验方法与测试技术的改进4.3 理论模型的完善与计算模拟五、结论六、参考文献一、引言高温超导材料是一种具有特殊电学性质的物质，能在相对较高的温度下表现出超导特性。
自1986年La-Ba-Cu-O超导材料的发现以来，高温超导材料引起了科学界的广泛关注，并在各个领域的应用与研究中取得了显著进展。
本文将重点介绍高温超导材料的定义与特点，以及其在能源、电子、医疗和航天航空领域的应用，同时也对高温超导材料的研究进展进行概述。
二、高温超导材料的定义与特点高温超导材料是指能在相对较高温度下（超过液氮沸点77K）显示出零电阻特性的材料。
与传统低温超导材料相比，高温超导材料更容易制备和操作，也更适合于实际应用。
其特点主要表现在以下两个方面：1. 高临界温度：高温超导材料的超导转变温度通常在液氮温度以下，最高可达到约138K-165K之间。
相对于低温超导材料需要极低温度的要求，高温超导材料的临界温度大幅度提高，使得超导材料能在常见的液氮温度下运行，从而降低了制冷成本。
2. 复杂的晶体结构：高温超导材料一般由复杂的晶格结构构成，其中包含着各种结构单位，如Cu-O层、Bi-O层等。
这种复杂的晶体结构是高温超导特性的基础，也给高温超导材料的制备和研究带来了一定的挑战。
三、高温超导材料的应用领域3.1 能源领域能源是全球发展的基础和重要支撑，而高温超导材料在能源领域的应用有着巨大潜力。
例如，高温超导材料可以应用于电力输配系统中，通过提高电缆的导电率和传输效率，减少电能损失。
此外，高温超导材料还可以用于发电设备的制造，提高发电效率和稳定性。
3.2 电子领域在电子领域，高温超导材料有望应用于高速电子器件。
超导材料的研究进展及应用超导材料是近年来科学研究与技术应用领域备受的一种材料。
随着科技的不断进步，超导材料的研究已经取得了显著的进展，并且在能源传输、医疗设备、交通等多个领域展现出了广泛的应用前景。
自1911年发现超导现象以来，科学家们对超导材料的研究从未停止过。
在理论方面，量子力学、固体物理等领域的理论不断发展，为超导材料的研究提供了强有力的支持。
在实验室方面，从早期低温超导体到高温超导体，再到如今的新型超导材料，研究者们不断突破技术难题，推动超导材料的研发和应用。
当前，超导材料研究主要集中在新型材料的探索以及超导机制的研究。
在新型材料方面，科研人员不断发掘具有高超导电性能的新材料，以替代传统的低温超导体。
在超导机制方面，研究者们致力于深入研究超导材料的微观机制，包括电子配对、库珀对的形成等，以推动超导材料的进一步应用。
近年来，超导材料领域的研究取得了一系列突破性成果。
新型高温超导材料的不断涌现，如铜氧化物超导体、铁基超导体等，使得超导材料的性能得到了显著提升。
在应用领域方面，超导材料已经成功应用于磁共振成像（MRI）、粒子加速器、磁悬浮列车等多个领域，为社会带来了巨大的经济效益。
展望未来，超导材料的研究将继续深入。
在理论方面，随着对超导机制的深入理解，有望发现更多具有超导性质的新型材料。
在应用方面，随着超导技术的不断成熟，超导材料将在更多领域得到广泛应用，如电力传输、储能、电子设备等。
随着技术的不断发展，超导材料的制造成本也将逐渐降低，使得超导技术的广泛应用成为可能。
超导材料作为一种具有重要应用价值的新型材料，其研究进展及应用前景广阔。
随着科学技术的不断发展，相信在不久的将来，超导材料将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的发展带来更多福祉。
高温超导材料是一种具有优异导电性能和零电阻的材料，它在能源、通信、医疗、科学研究等领域具有广泛的应用前景。
自1911年发现超导现象以来，对高温超导材料与技术的研究已取得了重大进展。
高温超导研究的新进展高温超导是指在较高温度下（通常指大于液氮温度77K），某些材料的电阻率突然降至很低甚至为零，成为一种具有重大科学意义和广泛工程应用前景的现象。
近年来，高温超导研究在材料科学、物理学以及能源等领域取得了不少重要进展。
一、高温超导研究历程高温超导现象最早是由荷兰物理学家康斯坦提·欧恩斯（K. Alex Müller）和瑞士物理学家约翰·乔治·贝德诺兹（J. Georg Bednorz）于1986年在锗铁酸钡（BaLaCuO）的研究中发现的。
这一现象一度被认为是科学界的“圣杯”，但是长期以来一直没有得到有效的解释以及简单的制备方法。
二、新的突破和发现1. 单层LaNiO3对CuO2平面中的动力学有限制效应在2021年，《自然·物理学》杂志发表了研究员金涛团队的一篇文章，报道了单层LaNiO3对铜氧平面中的超导动力学有限制效应。
他们在CuO2平面上叠加了LaNiO3单层，发现这种单层LaNiO3可以抑制CuO2平面中的电子运动，从而限制了氧空位的移动，降低了超导的温度。
这项研究为超导体的材料设计提供了新思路。
2. 发现新型铁基超导体2019年，清华大学物理系学者熊经平等人发现了一种新型铁基超导体KFe2As2，其临界温度达到了55K，创造了铁基超导材料的新纪录。
熊经平教授认为这种新型铁基超导体的发现为研究人员提供了一个新的研究方向。
3. 《科学》杂志报道发现新型高温超导体3月25日，《科学》杂志发表题为“结构相变驱动高温超导”的研究论文，其中报道了一种新型高温超导体，该超导体的临界温度达到了50K，使得此类材料的发现人们对超导现象的理解有了更深刻的认识。
三、高温超导研究的未来高温超导材料的研究早已走上了多样化的路线，有人从传统的寻找新的高温超导材料的角度出发，不断地开展材料的模拟探究；也有人从理论的角度入手，理解高温超导现象的本质以及对其他重要性质的影响；更有人致力于发展高温超导材料的技术，使得它在能源等领域得到广泛的应用。
高温超导体研究进展与关键问题讨论引言：高温超导体是近年来材料科学领域的热门研究方向之一，其具有在较高温度下实现超导电性的特点，为能源输送、磁共振成像等领域的应用提供了巨大的潜力。
本文将探讨高温超导体的研究进展，并讨论当前面临的关键问题。
一、高温超导体的研究进展1. 发现YBa2Cu3O7超导体1986年，IBM公司的科学家在Yttrium钇和Barium钡的氧化物中引入铜，首次在相对较高温度（92K）下实现了超导电性。
这一突破引发了对高温超导体研究的热潮。
2. 高温超导机制在分子束外延和角度旋转磁控溅射等技术的发展下，研究人员成功合成了一系列高温超导体。
对这些材料的研究表明，高温超导机制与传统的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理论不同，主要和电子-声子相互作用以及电荷密度波等因素有关。
3. 新型高温超导材料的开发基于高温超导材料的研究，科学家们不断探索新型材料，旨在进一步提高超导转变温度和超导电流密度。
铜基、铜氧化物基、铁基、镍基等各类高温超导材料的研究不断取得突破，丰富了高温超导材料的系列。
二、关键问题的讨论1. 转变温度的提高高温超导体的转变温度一直是研究者关注的焦点。
当前的高温超导体在液氮温度（77K）下达到超导转变，这限制了其应用领域。
如何进一步提升高温超导体的转变温度，实现更高温度下的超导电性，是当前的关键问题之一。
2. 电流密度的增加高温超导体的应用往往需要承受较高的电流密度，例如用于能源输送和磁共振成像。
然而，当前高温超导体的临界电流密度较低。
因此，研究人员需要探索新的制备方法和材料结构，以提高高温超导体的临界电流密度，从而适应实际应用需求。
3. 材料的制备和完整性高温超导体的制备过程非常复杂，且对材料的完整性要求极高。
一些高温超导体的制备方法仍然存在技术难题，例如氧化时间控制、压力条件调控等方面。
此外，材料的晶体结构和缺陷对其电学性能也具有重要影响。
如何优化制备工艺，并改进材料的完整性，是当前需要解决的重要问题。
铁基超导：让我们出乎意料——2008十大科学进展解读（二）--------------------------------------------------------------------------------本报记者陈瑜2008年以前，假如一位学生在参加研究生入学面试时，将铁基化合物列为高温超导材料，该学生只会不及格。
这种假设透露了一个信息：该学生对基础知识的掌握不过关。
铁基材料通常具有铁磁性，被认为最不具备成为高温超导材料的条件。
但历史开了一个大玩笑。
在美国《科学》杂志公布的2008年十大科学进展中，铁基高温超导材料名列其中。
在由科技日报社组织，部分院士、多家中央新闻单位以及该报读者参与评选的“2008年国内十大科技新闻”中，该发现同样入围。
———事件回放———铁基化合物惊现超导特性2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授细野秀雄的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。
该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。
纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。
但是26K的临界温度并没有突破麦克米兰极限(一般认为，传统超导临界温度最高只能达到39K，被称为麦克米兰极限)。
临界温度可达到55K一个多月后，中国科学技术大学微尺度国家实验室的陈仙辉教授和中国科学院物理研究所的王楠林研究员领导的研究小组几乎同时发现新的铁基高温超导材料，其超导临界温度超过了40K。
紧接着，中国科学院物理研究所的赵忠贤院士领导的研究小组又将这一纪录提高到55K。
“该材料是除铜氧化合物高温超导体之外，第一个临界温度超过40K的非铜氧化合物超导体，突破了…麦克米兰极限‟。
”丁洪认为，这也使人们相信铁基高温超导材料不是传统超导体。
———新的突破———打破铜氧化合物垄断“该发现最大的意义在于实现了高温超导基础研究领域上新的突破，为新型高温超导研究指明了一个新的方向。
铁基材料的高温超导Review Article(Nature Physics) ，published online：29 August 2010丨DOL:10.1038/NPHYS1759PB08204069 周烨前言层状铁基材料中超导性的发现，以及其超导相变攀升至高达55K的温度，在过去的2年中已经引起了广泛的研究探讨的热潮。
虽然对于Cooper对的状态在这些体系中不寻常的性质是有着总体上的共识的，但几个核心问题依然存在——包括磁性在超导体中所扮演的角色，化学属性和结构调谐，以及导致的成对对称性——并且总体性质的深入研究仍在继续。
这里我们关注的是铁基超导材料的研究进展，其至今为止主要的实验的基点和一些有待给出一个定论的问题的解决。
2008年2月，Hideo Hosono和他的同事报导了26K下氟掺杂化合物LaFeAsO超导性的发现，从此标志着世界范围内致力于新一系列的超导体的研究。
虽然在2008年3月在新奥尔良召开的ASP会议上有关于50K以上的超导体发现的传闻，但但是中国和日本的研究者都在忙于提升该领域到其如今所拥有的水平：通过施加压力将LaFeAs(O,F)的超导相变温度提高到43K，然后又用其他一些稀土元素取代La从而又将其Tc提高到55K。
一直以来，超导性和磁性素有的抗逆关系一直使得研究者们避免对磁性元素的使用——尤其是铁磁性元素——来作为可能的新型超导材料的构建基础。
由于Fe元素是强铁磁性的，因此具有高Tc值的铁基超导材料的发现是完全没有被预期到的。
事实上，我们对于超导性来源的最基本的理解是有待进一步深化和提高的，因此这也为新型材料的研究开辟了一条新的路径。
这篇评论对于近期一些实验成果作了一个综述更新，并对该领域的发展进行了展望。
我们的目的是聚焦重要实验观测和理论观点，以期在铁基超导理解上的共识。
几个系列的铁基超导体的一些基本行为是相似的，所以该评论会在涵盖同性的同时关注具有ThCr2Si2结构的一系列合金铁基超导体中与其它结构体系具有明显差异的一些性质。
最高温超导材料
摘要：
1.超导材料的概念和特性
2.最高温超导材料的历史发展
3.最高温超导材料的应用领域
4.我国在最高温超导材料研究方面的进展
正文：
超导材料是一种电阻为零的材料，在低温下可以实现电流的无阻力流动。
这种特性使得超导材料在很多领域有着广泛的应用前景，如磁浮列车、高速计算机、高能物理实验等。
最高温超导材料，顾名思义，是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。
自20 世纪50 年代以来，随着科学技术的进步，最高温超导材料的研究取得了重要突破。
先是铜氧化物超导体，然后是铁基超导体，这些材料的超导临界温度不断提高，从而拓宽了超导应用的领域。
最高温超导材料在很多领域有着广泛的应用。
例如，在能源领域，超导磁体可以实现高效、低损耗的电能储存和传输。
在交通运输领域，超导磁浮列车可以减少能耗，提高运行速度。
在信息科技领域，超导计算机可以大幅度提高运算速度，降低硬件成本。
在高能物理实验中，超导磁体可以产生高强度磁场，用于粒子加速器等实验装置。
我国在最高温超导材料研究方面取得了举世瞩目的成果。
从2008 年开始，我国科学家在铁基超导体研究中取得了一系列重要突破。
2015 年，我国
科学家首次实现了在液氮温度下临界电流密度超过1000 安培/平方厘米的铁基超导体。
这一成果标志着我国在最高温超导材料研究方面已经迈入世界领先行列。
总之，最高温超导材料具有广泛的应用前景，其研究和发展对科技进步具有重要意义。
2008年 第53卷 第19期: 2265 ~ 2273 2265《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS评 述铁基高温超导体的研究进展及展望方磊, 闻海虎*中国科学院物理研究所超导国家重点实验室, 北京 100190 * 联系人, E-mail: hhwen@ 2008-07-21收稿, 2008-09-03接受摘要 自从2008年2月末F 掺杂的LaFeAsO 被报道有26 K 的超导电性后, 基于此体系材料的超导转变温度在短短几个月中被迅速地提高到55 K, 很多新超导体被发现, 同时人们对具有更高临界转变温度的新超导材料充满希望. 本文简要地回顾了这种体系中材料的探索、制备以及设计, 另外在理论和实验上对其超导机理的认识也给予了介绍和总结. 最后基于目前的实验数据, 对铁基超导体和铜氧化物高温超导体的重要物理参数进行了比较, 同时展望了这种新超导体的应用前景.关键词 铁基超导体 超导转变温度 ZrCuSiAs 结构配对对称性超导是一种宏观量子现象, 费米面上动量相反的电子配成对, 同时建立长程的位相相干进而发生凝聚, 其结果是超导体在临界温度下电阻的消失(零电阻)和对磁力线的排斥(完全抗磁性). 在正常金属中, 电子在一个充满各种振动的背景中运动, 最普通的是晶格的振动. 晶格的振动模可以被一种称为“声子”的元激发进行描述. 电子和声子碰撞后损失了动能进而导致能量的损耗. 这也就是正常金属在有限温度下电阻的来源. 然而在零温极限下所有的振动模式都停止了(不计量子涨落), 所以一个干净的系统中能量的损耗和电阻率都是为零的. 对于一个超导体而言, 费米面上的电子两两吸引形成束缚对, 这种束缚的电子对被称为库珀对. 库珀对服从玻色统计, 在临界温度(T c )下发生凝聚. 这种凝聚态具有很长的相干长度, 因而对晶格振动导致的局域散射不敏感, 所以输运上并不损耗能量, 电阻率可以在较高温度(T c 以下)保持为零. 与此同时, Ⅱ类超导体具有在很高的磁场下承载巨大电流密度的优越性能, 人们因此对高临界温度的新超导体充满了期望.人类寻找新超导体的历史已经持续将近100年, 在最初的几十年中, 新超导体的探索主要集中在单元素材料和多元素合金上. 然而这些材料的超导转变温度不超过23 K(Nb 3Ge)[1]. 一个重大的突破发生在1986年底, 在IBM Zurich 工作的Bednorz 和 Muller [2]发现铜氧化物LaBaCuO 的超导转变温度高于30 K. 自此寻找更高T c 的超导体的浪潮席卷全世界, 在短短的几年中, 铜氧化物超导转变温度被提升到134 K(常压)和164 K(高压). 然而铜氧化物超导体的相干长度非常短, 各向异性度很高, 又因为是陶瓷, 所以材质很脆, 这些不利因素都妨碍了它在工业上大规模的应用. 所以, 超导界的科学家们一直希望发现另外一种非铜氧基的高温超导体, 并且这种超导体具备更优异的性质.转机发生在2008年的2月末, 日本东京工业学院Hosono 教授的研究小组发现在母体材料LaFeAsO 中掺杂F 元素可以实现26 K 的超导电性[3]. 此类母体材料的研究历史可以追溯到1974年美国杜邦公司Johnson 等人[4]在寻找新的功能材料中的工作. 随后, 一个德国的研究组合成了系列的具有同样ZrCuSiAs 结构的新材料[5]. 这些新材料被取名为四元磷氧化物LnOMPn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; M=Mn, Fe, Co, Ni; Pn=P, As). 图1是LaFeAsO 的基本结构. 这个体系空间群为P4/nmm, 具有四方的层状结构, 在c 方向上以—(LnO)2-(MP)2-(LnO)2—形式交替堆砌, 一个单胞中有两个分子LnOMP. 对于母体材料而言, 层和层之间电荷是平衡的, 例如,2008年10月 第53卷 第19期2266(LnO)+1和(MP)−1的电荷是平衡的. 由于四元磷氧化物LnOMPn 中的一些材料在低温下是超导体, 因此 这个体系构建了铜氧化物外的另一个层状超导体家族[6,7]. 在Hosono 小组发现LaFeAsO1−x F x (x =0.05~ 0.12)具有26 K 的转变温度后[3], 新的一轮寻找高温超导材料的浪潮再次到来.图1 LaFeAsO 的原子结构图LaFeAsO 属于ZrCuSiAs 结构, 在c 方向—(LaO)2-(FeAS)2-(LaO)2- (FeAs)2—相互交叠进而构成一个典型的层状化合物. 铁离子排布成一个四方结构, 近邻的铁离子距离2.853 Å, 对角的铁离子距离3.97 Å1 追寻更高T c在Hosono 小组的工作发表后的很短时间, 中国科学院物理研究所的王楠林小组、闻海虎小组和美国橡树岭国家实验室的Mandrus 小组, 分别独立地制备出超导温度26 K 的LaFeAsO 1−x F x 并作了系统的输运测量[8~10]. 数据揭示LaFeAsO 1−x F x 的载流子为电子型而且载流子密度很低, 这些性质和铜氧化物高温超导体都很类似. 随即不同小组追寻更高超导转变温度的竞争拉开序幕. 大部分的研究进展都以非正式发表的形式及时刊登在美国Los Alamos 国家实验室的免费电子资源平台上(/list/cond-mat. supr-con/). Takahashi 等人[11]利用高压技术(3 GPa)把LaFeAsO 0.89F 0.11的转变温度从26 K 提高到43 K. 2008年3月20日闻海虎小组报道了利用二价的Sr 代替部分三价的La(空穴掺杂), La 1−x Sr x FeAsO 可以实现25 K 的超导转变, 从而否定了Hosono 小组关于空穴掺杂在铁基母体中不能实现超导的结论[12]. 几天后, 中国科学技术大学陈仙辉小组报道了SmFeAs- O 0.85F 0.15中实现43 K 的超导电性[13]. 几乎同一时间中国科学院物理研究所的王楠林小组[14]发现41 K 超导体CeFeAsO 1−x F x , 赵忠贤小组[15]报道了接近或超过50 K 的超导体NdFeAsO 0.85F 0.15和PrFeAsO 0.85F 0.15. 在追逐更高T c 的激烈竞争中, 人们发现高压技术合成样品是效率较高的, 例如, 低于2 h 的样品烧结时间以及高压导致F 的有效掺杂. 高压技术的应用可以很容易实现高的超导转变温度, 稀土金属Ce, Pr, Nd, Sm, Eu 和Gd 的铁基超导体基本都可以达到50~55 K [16]. 另外, 赵忠贤和任治安等人认识到由于名义上的化学计量比的F 含量在烧结过程中可能丢失, 铁基超导体中氧缺位实际上是存在的. 因此, 任治安等人利用高压技术直接合成了无氟缺氧的LnFeAsO 1−x , 发现超导转变温度达到了55 K, 从而证实了他们的氧位缺失导致超导的观点[17]. 但必须说明的是, 常压合成的无氟缺氧LnFeAsO 1−x 并不超导, 即使样品很纯净, 也没有任何超导迹象出现[18]. 一种可能性是此类缺氧的相是一个亚稳相, 在常压下合成出来的实际上是不缺氧的相. 此外, 曹光汉和许祝安小组还发现利用Th 替换Gd 的方法在Gd 1−x Th x FeAsO 中观察到56 K 的超导电性[19]. 同时他们在Tb 1−x Th x FeAsO 中也观察到超过50 K 的超导电性[20]. 最近利用高压技术, 重稀土Tb 和Dy 的铁基超导体也实现了40 K 的高温超导电性[21]. 在图2中, 我们给出了超导转变温度和发现时间的关系曲线, 可以很清楚地发现超导转变温度随时间上升得非常快, 同时铁基超导体的临界温度能否超过液氮温度77 K, 也给人们很大的想象空间.在探寻具有更高转变温度的超导体的时候, 有几种可能的途径. 第一个也是最直接的办法就是合成一个单胞中有多个FeAs 层. 这个想法来自铜氧化物超导体, 因为两个体系的上临界场都特别高, 从而配对势很强, 但超流密度却很低[8~10]. 所以按照提高铜氧化物超导温度的思路, 只要超导转变由相位涨落控制而不受配对强度影响的话, 多层可以产生更高的超流密度. 然而必须指出的是, 铁基超导体的位相涨落并不是特别的强, 至少最优掺杂的样品是这样. 能斯特效应的测量确实发现在超导转变温度以上能斯特效应很弱, 而且扩展的温区只有10 K 以内, 确实说明此类材料中的相位涨落很弱[22]. 闻海虎小组[23,24]最近率先测量了NdFeAsO 0.82F 0.18单晶的上临界磁场和超导态电阻随磁场的各向异性, 发现各向异性度Г = (m c /m ab )1/2小于5或者6. 但对低掺杂的样品的各向异2267性度和配对能隙的研究至今没有报道, 如果没有比最佳掺杂提高很多, 反而像BCS 型超导体要求[25]的那样2∆sc /k B T c ≈4, 那么利用多层来提高超导转变温度的可能性就大大受到限制.但不管怎样, 一种新的结图2 铁基超导体的发现时间和超导转变温度的关系图(2008年6月15日以前)白色的圆点代表电子型超导体, 由F 掺杂或者氧缺位所致. 黑色的原点代表空穴型超导体. 具有更高超导转变温度的新超导体是值得期待的构往往导致配对强度和费米面上态密度的改变, 从而多层系统的T c 可以随机地增大或者减小.第二个寻找高T c 的途径就是通过元素替代来合成新材料. 目前为止, 并没有直接的解释为什么FeAs 系统中的T c 要高于NiAs 或者FeP 系统, 然而探寻不含As 的超导体是物有所值的, 毕竟As 带有毒性. 如果坚持以FeAs 为基的话, 空穴掺杂也许是另外一个重要的方向. 按照闻海虎小组的观点, 空穴掺杂可以导致超导电性[12], 同时T c 的变化随着空穴或者电子的掺杂量是基本对称的. 这个观点的提出在开始遇到很大阻力, 但是随着时间的推移, 逐渐被实验事实所支持. 一个类似的结果就是Hosono 小组报道的LaFePO 中实现了电子掺杂(F 替代O)和空穴掺杂(Ca 替代La), 但该文作者把Ca 掺杂提高T c 的结果归于晶格的收缩而不是能带的填充[26]. 最近闻海虎小组又成功制备了LaNiAsO 1−x F x 和La 1−x Sr x NiAsO 体系[27], 发现T c 的改变随着空穴或者电子的掺杂量也是基本对称的. 在Sr 掺杂的样品中, T c 随着晶格常数的增加而单调上升, 事实上Sr 2+的离子半径(0.112 nm)大于La 3+的离子半径(0.106 nm), 所以在不考虑结构畸变的情况下, 晶格应该有所膨胀. 关于ZrCuSiAs (1111)结构中可以利用空穴导致超导电性, 目前只有闻海虎小组有报道. 也有报道称, 可能是氧缺位导致超 导[28]. 然而, 闻海虎等人的数据表明, 只要二价金属原子Sr 等被有效掺到晶格位置, 就会出现超导[29]. 这方面的结论需要更多研究组工作的确认, 相信不久就会有最终结论. 最近, Rotter 等人用K +替代Ba 2+离子, 发现(Ba 0.6K 0.4)Fe 2As 2中存在38 K 的超导电性[30], 这是FeAs 基材料中空穴掺杂导致超导的进一步例证. 其母相BaFe 2As 2从电阻率随温度的变化关系上看是一个坏金属, 在140 K 附近有一个自旋密度波反常, 这些性质非常类似于零掺杂的LnFeAsO 的电输运特性. 总的来说, Rotter 等人的工作很明确地证实了闻海虎小组早期提出的空穴掺杂导致超导的观点[12]. 因而从这个方面而言, 通过空穴掺杂寻找新超导体仍有广阔天地.2 材料的合成为了对FeAs 基超导体物理性质有准确及深入的认识, 高质量的样品是不可或缺的. 目前为止, 国际上已经有很多小组合成出接近单相的LnFeAsO 1−x F x (Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd [31], Eu, Tb, Dy, Gd/Th). 制2008年10月 第53卷 第19期2268备样品的主要途径就是化学固相反应, 固相反应合成可以一步或者分步完成, 所谓一步法就是把金属单质和其他化合物按照化学计量比称量研磨和烧结, 而分步法就是先制备出砷化稀土和砷化铁, 再和其他所需化合物按照化学配平称量研磨和烧结, 如闻海虎小组初期采用的两步法合成单相样品的工艺就是行之有效的[9]. 不管一步还是分步合成样品, 原料需密封在石英管中烧结, 烧结温度在1150~1260℃之间. 由于稀土元素很容易被氧化, 研磨和压片的过程必须在充满保护气体的手套箱中进行. 另外, 砷单质和其化合物都是有毒的, 所以任何涉及砷的材料制备过程都必须严格控制在手套箱中以保护科研人员的健康. 第二种制备材料的方法就是前面提到的高压合成技术, 这种方法的优点就是元素反应迅速而且非常高效, 但由于反应时间过短, 化学合成不充分, 有杂相存在, 如FeAs 等. 第三种获得纯相的途径就是助溶剂方法[23,24], 这种方法的优点是烧结温度比较低. 我们已经利用这种方法成功制备出系列的NdFeAsO 1−x F x 单相样品.为了获得FeAs 基超导体的本征性质, 单晶的制备极为重要. 尽管有很多小组在随后的时间中报道了Ba 1−x K x Fe 2As 2单晶的生长, 但是在作者完成这篇初稿时(2008年6月15日之前), 只有两个小组报道了ZrCuSiAs(1111)相单晶样品的合成, 因此本文不再对Ba 1−x K x Fe 2As 2晶体的制备过程进行介绍. 关于F 掺杂的LnFeAsO 晶体的制备, 其中一个小组利用高温高压技术(ETH, Zurich)成功制备出最大尺寸为100 µm 的单晶[32], 他们利用混合的NaCl 和KCl 作助溶剂, 原料ReFeAsOF 和助溶剂的量控制在1:1到1:3之间, 原料和助溶剂充分混合后压片放在一个BN 坩埚中, 外面再用叶腊石包套密封. 实验采用的压力为3 GPa, 在1 h 之内升温至1350~1450℃之间, 保温 4~10 h, 最后用5~24 h 降温来促进晶体长大. 实际上, 同期我们已经在常压下利用助溶剂方法生长出NdFeAsO 1−x F x 单晶, 化学计量比的FeAs, NdAs, Fe 2O 3, NdF 3, Fe 和助溶剂NaCl 均匀混合(原料量:助溶剂量=1:10), 压片真空封管, 在1050℃保持5~10 d 后以3℃/h 降温到NaCl 的熔点800℃, 随即断电随炉降温. 所得大量片状单晶附着在NaCl 单晶上, 用水洗去NaCl 即得NdFeAsO 1−x F x 单晶. 图3(a)显示了图3(a) NdFeAsO 1−x F x 单晶面内电阻率随温度的变化曲线, 超导转变在50 K 附近, 转变宽度小于2 K; 插图显示一个20 µm 的单晶, 利用聚焦离子束技术化学气象沉积了Pt 膜作为四个电极; (b) 单晶的X 射线衍射谱, 只有(00l)方向的布拉格峰出现, 显示了单晶很好的取向性; (c) 不同磁场下电阻率随温度的变化关系, 超导转变起始温度点随磁场的加大而略微平移, 显示铁基超导体具有很高的上临界场(以正常态电阻率的95%作为判据); (d) NdFeAsO 1−x F x 单晶磁场随温度的相图, 四方格子代表T c 附近上临界场斜率, 原点线是超导体的不可逆线(以正常态电阻率的1%作为判据)一个NdFeAsO1−x F x单晶面内电阻率随温度的变化曲线, 超导转变在50 K附近, 转变宽度小于2 K. 图3(b)是一片单晶的X射线衍射谱, 只有(00l)方向的布拉格峰出现, 显示了单晶很好的取向性. 我们利用扫描电子显微镜进行晶体形貌测量发现单晶最大尺寸为70 µm, 如果进一步控制晶体生长的成核率以及优化成核温度, 更大尺寸的单晶是可以获得的. 不管怎样, 随着时间的推移, 生长大尺寸FeAs基超导体单晶的方法将不断涌现.3理论和实验对超导机理的研究进展当FeAs基材料的超导电性被相继报道后, 科研工作者随即开展了大量的科学研究, 希望能找到超导电子配对的机理. 最初的理论计算发现电声耦合常数λel-ph仅为0.21[33], 这么低的λel-ph显然不足以导致55 K之高的超导转变温度. 实际上一个类似的系统LaFePO已经有了能带计算结果[34]. LaFePO的超导转变温度为4 K, 电阻率随温度的变化关系是一个金属型的(0~300 K), 这种金属型的电输运行为和零掺杂的LaFeAsO截然不同, LaFeAsO的电阻率在150 K有个很大的下降, 接近零温时电阻率反而微微上翘[3,35]. 电阻率在150 K下降的起因早期被解释为费米面上电子口袋和空穴口袋之间的叠套引起的自旋密度波(SDW), 随后中子散射实验观测到对应此SDW的布拉格峰, 这些布拉格峰对应着一种相互交错的反铁磁长程序, 这种反铁磁长程序发生在136 K, 在此温度之上的150 K体系还有一个结构相变发生, 因而可能是结构相变先发生然后反铁磁序才被建立[36], 然而很难说电子态的不稳定和材料结构的畸变究竟谁是诱因. 很快穆斯堡尔谱实验也证实了零掺杂的LaFeAsO中结构相变和SDW序的共存[37], 显示了不同测量手段所得结论的一致性. 通过F掺杂, 电阻率在150 K的突降被逐渐抹平, 电阻率在低温下的上翘也被严重压制, 当电子和空穴掺杂量到了一定程度后超导就出现了. 由于在样品制备过程中F很容易损失, 因此实际的掺杂和名义上的掺杂量是不同的, 所以超导究竟在哪个掺杂量出现还是不确定的. 此外在欠掺杂区超导转变温度是否随掺杂量单调上升也不明确. 在掺杂最优化的情况下, 单晶正常态ab面内的电阻率显示连续弯曲的特性, 这显然与理论上预言的非常规金属正常态电导线性特征相违背, 这方面一个重要的例子就是铜氧化物高温超导体最佳掺杂点的电阻超线性行为. 因此, 在铁基超导体中目前还很难说某些掺杂点附近存在量子临界点.据已报道的数据, 最高的掺杂可以达到50%, 然而T c仍然维持在55 K或者仅比55 K有轻微的提高, 所以在严重过掺的样品中相分离可能存在, 因为F显然是不均匀的.最早的理论工作是关于能带的计算, 按照Lebègue的工作[34]及Singh和Du的计算结果[38], 母相LaFePO和LaFeAsO中Fe3d电子的5个轨道跨越了费米能, 费米面由5个部分组成, 沿M-A方向的电子型的费米面, 这个费米面上的电子费米速度比较高; 沿Γ-Z方向的空穴型的费米面, 费米速度在这个区域比较低; 还有一个三维的在Z点的空穴口袋. 由于电子型的圆柱形费米面上费米速度比较高, 因而面内电导被认为由这部分费米面负主要责任. 然而这些理论计算并没有考虑到电子的关联效应, Kotliar用动力学平均场方法(DMFT)估算到电子关联能大概为4 eV, 并认为母体LaFeAsO是一个坏金属, 处在金属绝缘体转变(MIT)的边缘[39]. 在考虑到电子的关联效应以及Fe-Fe键(J1, 近邻)和Fe-As-Fe键(J2, 次近邻)的超交换相互作用后, 理论上发现LaFeAsO的最低能量态是反铁磁长程序[40], 电子的自旋相互交错(interpenetrated), 在134 K进入反铁磁长程序以降低系统的能量, 同时在较高温度还有一个结构相变. 目前为止还不能确定反铁磁序和结构相变之间是否有紧密的联系, 如果有联系, 那么谁起主要作用也有待考证.关于超导态的配对对称性的研究, 理论上已经提出了很多可能, 限于篇幅以及个人的认识, 我们只能挑选出一部分来加以阐述. 第一种是扩展的S波配对, 认同这种观点的工作目前不多, 基于特殊结构的配对势V kk′, 费米面上不同部分的能隙符号相反, 因而超导波函数的能隙方程为扩展的S波[41,42]. 此外,一些理论工作者关注费米面上环绕着M点的两个电子型费米口袋, 根据第一性原理计算, 依赖于掺杂的超导转变温度被认为受控于这两个费米口袋的轨道能级简并度[43]. 第二种观点是能隙带有节点(node)的配对对称性, 一些理论认为Fe的d轨道中的铁磁性的洪特耦合将起到很重要的配对作用, 例如Dai等人[44]提出了一个新颖的配对方式, 即组成库珀对的22692008年10月 第53卷 第19期2270两个电子来自不同的电子口袋, 导致了自旋的三重态, 轨道的单态以及动量空间的偶宇称. 另一方面, Lee 和Wen [45]认为洪特耦合将导致带间的p 波对称, 特别是在能级劈裂的情况下, 这种配对对称性将更加稳定. 其他一些理论或多或少基于电子-空穴对称性或者假设带间带内的涨落为配对的媒介[46,47]. 由于实验上对铁基超导体的微观描述比较少, 因而对其超导配对对称性的定论还不能得到. 然而纯粹从对称性角度出发, 某些理论并不需要实验上的微观结果, 已经能推演出超导态对称性的一些普遍性质[48~50].实验上关于FeAs 基超导体能隙可能存在节点的报道最早来自闻海虎小组, 该小组利用低温比热测量超导转变温度为26 K 的LaFeAsO 0.9F 0.1的低能元激发, 发现电子比热系数γ和外加磁场成非线性关系[25], 同时点接触隧道谱也显示零偏压电导峰(ZBCP)的存在, 随着温度和磁场的增加, ZBCP 逐渐消失. ZBCP 通常被解释为电子隧穿一个金属和一个能隙存在节点的超导体的界面效应[51]. 随后, 两个不同小组基于µSR 实验分别指出FeAs 基超导体的配对对称性为脏的d 波[52,53], 他们指出这个体系的超流密度很低, 超流密度符合Uemura 关系, 即T c ∝ρs [54]. 如果Uemura 关系真能满足, 那么两层结构的FeAs 基超导体将具备更高的超导转变温度. 最近, 核磁共振实验发现自旋点阵弛豫率1/T 1T 符合一个幂次关系(power law), 自旋点阵弛豫率测量的是超导态的准粒子态密度, 因而在超导态随着温度升高费米面上已经有准粒子态密度的存在, 因此超导态的能隙函数可能有节点存在. 作者进一步指出库珀对为自旋单态[55,56]. 但也有些测量倾向于没有节点的能隙, 例如在SmFeAs- O 0.85F 0.15上面的点接触隧道谱的结果认为是一个单一的S 波能隙, 基本满足BCS 预期[57]; 在NdFeAs-表1 铁基超导体和铜氧化物超导体的物理性质比较物理参数 铁砷基铜氧化物 评价H c 1约50~100 Oe (1 Oe = 79.5775 A/m) ~100 Oe下临界场比较接近, 欠掺杂铜氧化物符合Uemura 定律, 铁基可能符合H c 2H c 2(H ||c ): ~70 T H c 2(H ||ab ): ~300 T由NdFeAsO 0.88F 0.12单晶输运数据估算而得 对YBCO 而言 H c 2(H ||c ): 100 TH c 2(H ||ab ): 300~600 T 两个系统的上临界场都很高, 所以配对能隙很强各向异性 Γ=(m c /m ab )1/24~5: NdFeAsO 0.88F 0.12单晶T C 附近 ~2: Ba 1−x K x Fe 2As 2单晶T C 附近对YBCO 而言7~20; 对Bi-2212而言100目前为止单层的铁基超导体的各向异性甚至小于YBCO能隙 LaFeAsOF 的能隙在4 meV 左右, 对(Nd, Pr,Sm) FeAsOF 而言7~10 meV, 2∆/k B T c = 3.5~4.5, 可能有双能隙2∆/k B T c = 8?由于赝能隙的存在,能隙值还不确定 铁基超导体的涨落效应可能不是很强, 但这和低的超流密度相违背能隙对称性 自旋单态观点居多. 带节点、节线的能隙和S 波能隙观点相当. 这方面的结论目前分歧很大主要是d 波配对 目前多数在1111结构中的实验结果支持超导体能隙是带节点的(也有S 波实验结果), 然而在122结构中看见了S 波能隙超流密度 低 低 铜氧化物中位相涨落很明显, 但铁基超导体中似乎不强相干长度对T c = 52 K 的NdFeAsOF 而言ξab = 15-25 Å ξc = 5-10 Å 对T c =90 K 的YBCO 而言ξab = 10 Å ξc = 2~3 Å 两个体系的相干长度都很小, 对应着比较小的凝聚能钉扎势 穿透深度λab = 1000-2000 Å λc = 3000-5000 Å对YBCO 而言 λab = 1000~2000 Å λc = 3000~6000 Å两个系统的λ都很大, 显示低的超流密度母体性质反铁磁或者自旋密度波序, 磁矩0.3~1 µB反铁磁长程序, 磁矩0.5µB, 交换关联能J为0.13meV 二个体系的共同之处是反铁磁序的压制可以诱导超导的出现能带多带空穴掺杂的材料是单带,电子掺杂的材料是多带铁基超导体更类似于电子型的铜氧化物超导体O0.9F0.1单晶上的穿透深度测量就倾向于超导序参量是不带节点的弱各向异性的S波[58]; 另外, NdFeAs- O0.9F0.1单晶上的角分辨光电子能谱测量发现在Γ点的空穴型费米面在超导转变温度以下有完全的能隙打开, 因而超导序参量是各向同性的S波或者是各向异性的S波[59]. 需要指出的是, 作者并没有说明另外两个电子型费米面上的能隙分布如何, 毕竟电子型费米面对正常态输运也起重要作用, 所以序参量S波对称的观点还有待更好的实验数据来证实. 总之从目前的实验数据而言, 单层的FeAs基超导体(ZrCuSiAs 结构)配对对称性d波的可能性比较大, 但还没有定论. 然而, 在BaFe2As2结构中, 最近的角分辨光电子能谱等数据表明S波配对对称性的可能性较大[60]. 鉴于此类超导体具有极其复杂的费米面构成, 因此关于超导能隙的对称性的定论尚需时日.4 铁砷基超导体(ZrCuSiAs结构)和铜氧化物超导体物性的简单比较在表1中我们对铁基超导体和铜氧化物超导体的物理性质做了一个初步的比较, 所有的物理参数均来自于已发表的或者刊登在arXiv数据库上以及我们自己测量的结果.比较表1所列的物性参数, 我们可以发现铁基超导体和铜氧化物超导体有很多类似之处. 然而目前为止还很难说两者的超导配对机理是相同的, 因此基于单晶样品的详实可靠的数据是必需的.5结论与展望很明显, 铁基超导体为探索超导体提供了一个新的平台, 同时它的物理性质也可能是非常规的. 高的上临界场、较小的各向异性和更大的相干长度(相对铜氧化物超导体而言)保证了这种材料的应用潜力. 图3(d)中我们给出了单晶的相图, 可以很清楚地发现它的临界场已经远远超过了MgB2, 因而铁基超导体在工业应用上有很大潜力. 在机理方面, 对于所有欠掺杂的样品而言, 反铁磁序是否是一个共同的特征是非常值得探寻的, 进一步来说, 反铁磁涨落对超导是否有影响将非常重要. 下一步从单晶样品上获得可靠数据将对阐明费米面的形状以及费米面随掺杂的演化, 及超导机理问题非常重要. 沿着空穴掺杂、新结构或者多层的思路去探索新材料, 可能会发现具有更高T c的新超导体.编后语此文的主体部分是2008年6月15日前完成的, 因此它主要反映的是此前的信息. 随后的一些重要工作可能未能够反映出来, 请见谅.参考文献1 Poole C P. Handbook of Superconductivity. New York: Academic Press, 20002 Bednorz J G, Muller K A. Possible high T c superconductivity in the Ba-La-Cu-O System. Z Phys B, 1986, 64: 189—1933 Kamihara Y, Watanabe T, Hirano M, et al. Iron-based layered superconductor La[O1−x F x]FeAs(x=0.05－0.12) with T c=26 K. J AmChem Soc, 2008, 130: 3296—32974 Johnson V, Jeitschko W. ZrCuSiAs: A “filled” PbFCl type. J Solid State Chem, 1974, 11: 161—1665 Zimmer B I, Jeitschko W, Albering J H, et al. The rare earth transition metal phosphide oxides LnFePO, LnRuPO and LnCoPO withZrCuSiAs type structure. J Alloys Comp, 1995, 229: 238—2426 Kamihara Y, Hiramatsu H, Hirano M, et al. Iron-based layered superconductor: LaOFeP. J Am Chem Soc, 2006, 128: 10012—100137 Watanabe T, Yanagi H, Kamiya T, et al. Nickel-based oxyphosphide superconductor with a layered crystal structure, LaNiOP. InorgChem, 2007, 46: 7719—77218 Chen G F, Li Z, Li G, et al. Superconducting properties of Fe-based layered superconductor LaO0.9F0.1−δFeAs. Phys Rev Lett, 2008,101: 0570079 Zhu X Y, Yang H, Fang L, et al. Upper critical field, Hall effect and magnetoresistance in the iron-based layered superconductor2271。
物理㊃38卷(2009年)9期 h t t p:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 铁基超导体专题铁基高温超导体研究进展*陈仙辉†(中国科学技术大学物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026)摘 要 最近,由于在铁基L n (O ,F )F e A s 化合物及其相关化合物中发现具有高于40K 的超导电性,层状的铁基化合物引起了凝聚态物理学界很大的兴趣和关注.在随后的研究中发现,在该类材料中最高超导临界温度可达到55K.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了新的一类材料.文章主要介绍了作者所在组在新型铁基超导体方面的最新研究进展,包括:(1)铁基超导材料探索研究;(2)铁基超导体的单晶制备及物性研究;(3)铁基超导体的电子相图及自旋密度波(S DW )和超导共存研究;(4)同位素交换对超导转变和S DW 转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.关键词 铁基超导体,自旋密度波,相图,结构相变N e w i r o n -p n i c t i d e s u pe r c o n d u c t o r s C H E N X i a n -H u i †(H e f e iN a t i o n a lL a b o r a t o r y f o rP h y s i c a l S c i e n c e a tM i c r o s c a l e a n dD e p a r t m e n t o f P h y s i c s ,U n i v e r s i t y o f Sc i e n c e a nd Te c h n o l o g y of C h i n a ,H e fe i 230026,C h i n a )A b s t r a c t T h ed i s c o v e r y of s u p e r c o n d u c t i v i t y w i t hac r i t i c a l t e m p e r a t u r e (T c )h i gh e r t h a n40Ki nt h e i r o na r s e n i d eL n (O ,F )F e A s h a s d r a w nm u c h i n t e r e s t i n c o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s .L a t e r d i s c o v e r i e s ,i n c l u -d i n g t h e e n h a n c e m e n t o f T c u p t o 55K ,h a s e v o k e d i n t e n s e e x c i t e m e n t i n t h e p i l g r i m a g e t o w a r d s t h e u n d e r -s t a n d i n g o f t h em e c h a n i s mo f h i g hT c s u p e r c o n d u c t i v i t y ,w h i l e p r o v i d i n g a b r a n d n e wf a m i l y o fm a t e r i a l s t o a d d r e s s t h i s i s s u e .I n t h i s r e v i e ww e p r e s e n t o u r g r o u p 'sm a j o r r e s e a r c h o n n e w i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s ,i n c l u d i n g :(1)o u r i n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s ;(2)t h e s y n t h e s i s o f i r o n a r s e n i d e s i n g l e c r y s t a l s a n d t h e c h a r a c t e r -i z a t i o no f i t s p h y s i c a l p r o p e r t i e s ;(3)t h e e l e c t r o n i c p h a s e d i a g r a mo f i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s a n d t h e c o -e x i s t e n c eb e t w e e n s p i n d e n s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y ;(4)t h e e f f e c t o f i s o t o p e e x c h a n g e o n s p i n d e n -s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n s .T o f i n i s h ,w e p r o po s e p o s s i b l e f u t u r e d i r e c t i o n s i n t h i s f i e l d .K e y w o r d s i r o n -p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r ,s p i nd e n s i t y w a v e (S DW ),p h a s e d i a g r a m ,s t r u c t u r a l t r a n s i t i o n * 国家自然科学基金㊁国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B 601001,2006C B 922005)和中国科学院资助项目2009-07-15收到† E m a i l :c h e n x h @u s t c .e d u .c n1 引言1986年,I B M 研究实验室的物理学家B e d n o r z(柏诺兹)和M ül l e r (缪勒)发现了临界温度为35K(零下238.15℃)的镧钡铜氧超导体[1].这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现.自那以后,铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点.然而直至今日,铜基高温超导机制仍未解决,这使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一.因此科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料,能够从不同的角度去研究高温超导机制,最终解决高温超导的机制问题.最近,由于在铁基L a O 1-x F x Fe A s (x =0.05 0.12)化合物中发现有26K 的超导电性[2],层状的Z r C u S i A s 型结构的L n O MP n (L n =L a ,P r ,C e,S m ;M =F e ,C o ,N i ,R u 和P n =P 和A s)化合物引起了科学家很大的兴趣和关注[3,4].2008年3月,㊃906㊃h t t p:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理㊃38卷(2009年)9期该类材料的超导临界温度在S m O 1-x F x Fe A s 化合物中被首次提高到43K [5],并在随后的研究中发现,该类材料中的最高超导临界温度可达到54K [6].中国科学院物理研究所王楠林小组㊁赵忠贤小组㊁闻海虎小组及其他小组作出了重要的发现(见同期的文章).这些发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了一类新的材料.近期初步研究表明,这类新超导体属于非传统超导体,电声相互作用并不能导致如此高的临界转变温度[7],强的铁磁或反铁磁涨落被认为是可能的原因[8 10],然而其机理还不是很明朗,其丰富的物理性质有待人们展开进一步深入的研究.这里将主要介绍我们组在铁基超导体方面的最新研究进展,文章分为三个部分:第一部分介绍新型高温超导材料探索及物性研究;第二部分介绍铁基超导体的单晶制备以及物性研究;第三部分介绍铁基超导体的电子相图以及超导和自旋密度波共存的研究进展.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.2 研究工作进展情况2.1 铁基超导材料探索及表征在铁基超导体中发现具有26K 的超导电性之后[2],探索这类化合物中更高的超导转变温度成为一个非常迫切的课题.本小节主要介绍我们组在铁基新材料的探索及其基本物理性质表征方面的主要研究进展:2.1.1 1111-型铁基化合物中高温超导电性的发现2008年2月,日本东京工业大学细野秀雄教授领导的研究小组报道了铁基材料L a O 1-x F x F e A s 超导转变温度高达26K [2].这一发现立刻引发了人们对这一超导体系的强烈关注.2008年3月25日,我们组成功地合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物(S m F e A s (O ,F )),电输运及磁化率结果明确地表明该样品具有43K 的体超导电性[5].这是继高温超导体铜氧化合物之后第一个打破迈克米兰极限的非铜基化合物,同时第一个证实了这类铁基超导体是除铜氧化合物之外的另一类高温超导体.这一重要工作很快在N a t u r e 杂志上发表,并被N a t u r e 审稿人评价为开辟了铁基高温超导体的新领域.图1为S m F e A s (O ,F )的结构示意图.2.1.2 122-型铁基超导体的空穴型超导电性图1 S m F e A s (O ,F )的结构示意图,它具有Z r C u S i A s 的四方结构,图中的黑色虚线代表一个原胞(图引自文献[5])在Z r C u S i A s (1111)型结构的铁基超导体被发现后不久,T h C r 2S i 2型铁基超导体也被发现具有超导电性,其最高超导温度可达到38K [11].我们组在国际上较早地开展了对122结构铁基超导体的研究,成功地合成了T h C r 2S i 2型结构的B a 1-x M x F e 2A s 2(M =L a 和K )样品,并系统地研究了其热电势(T E P )和霍尔系数(R H )[12].B a F e 2A s 2母体的电阻率在140K 附近存在一个异常,这与L n O F e A s(1111)体系母体行为很类似.通过L a 部分替换B a ,可以使这个电阻异常行为向低温漂移,但是在低温并没有出现超导电性.B a F e 2A s 2和L a 掺杂B a F e 2A s 2样品的霍尔系数(R H )及热电势(T E P )都为负值,这表明它们都是n 型载流子,而B a 1-x K x F e 2A s 2样品的霍尔系数(R H )及热电势(T E P )为正值,这表明其是p 型载流子,这与电子型载流子的L n O 1-x F x F e A s 体系是不一样的.结果明确表明,p 型载流子掺杂在122结构中也同样可以实现超导电性.2.1.3 1111结构中氧缺陷导致的超导电性中国科学院物理研究所赵忠贤组在L n O F e A s(L n =L a ,S m ,P r ,N d 等)体系中,通过高压合成的方法制备出氧空位的超导样品[13 15].该研究表明,通过引入氧空位也可以达到向F e A s 面注入载流子的作用,从而产生超导电性.由于氧空位要在高压下才能形成,因而通常压力下很难有氧空位形成.我们组试图在非高压条件下向体系引入氧空位,合成了L a 0.85S r 0.15F e A s O 1-δ样品,并系统地研究了体系中氧缺陷带来的影响[16],发现用S r 部分地取代L a 可以引入部分空穴载流子,S DW 序被压制.样品的超导电性可通过将样品在真空中退火引入氧缺陷来实㊃016㊃铁基超导体专题现.随着氧缺陷的增加,超导转变温度T c升高,其最大值达26K,类似的现象也出现在L a F e A s O1-x F x 体系中.未退火的不超导样品的热电势为正,而退火后的氧缺陷超导样品的热电势为负;但所有样品的霍尔系数(R H)始终为负值.这表明在L a0.85S r0.15F e A s O1-δ样品中其主要载流子为电子.实验表明,通过掺杂少量的具有较大离子半径的S r 原子,可在L a F e A s O体系中在真空退火的条件下产生氧空位,并出现超导电性.2.1.4 R F F e A s结构中稀土金属L n掺杂的超导电性R F F e A s(R=C a,S r,B a,E u)与最先发现的Z r-C u S i A s(1111)型L n O F e A s的结构一样.同时R F F e A s与L n O F e A s母体一样,在电阻率和磁化率上都表现出一个自旋密度波(S DW)有序和结构相变导致的反常.我们合成了R1-x S m x F F e A s(R= S r,B a和E u)三个体系不同掺杂组分的样品,发现通过稀土金属S m3+在R位掺杂引入载流子能够压制S DW有序导致的电阻率反常,并在样品中引入了超导电性.名义组分为R0.5S m0.5F F e A s(R=S r, B a和E u)的样品超导转变温度分别为56K,54K和51K,这说明铁砷氟化物和与其结构相同的L n (O F)F e A s具有相同的超导转变温度[17,18]. 2.1.5 S r4S c2O6M2A s2(M=F e和C o)(42622)母体的合成在铜氧化合物高温超导体中,增大铜氧面之间的距离能提高其超导转变温度,因此探索合成多层铁砷,寻找更高的超导转变温度是可能的.日本科学家合成了多层的S r4S c2O6F e2P2(42622)铁磷化合物[19],并发现有18K的超导转变温度,这远远高于L a(O F)F e P(T c=5K)[20].我们成功合成了S r4S c2 O6M2A s2(M=F e和C o)(42622)多层结构[21].S r4 S c2O6F e2A s2热电势(T E P)和霍尔系数(R H)表现出类似于L n O F e A s(1111)和B a F e2A s2(122)复杂的行为,可能是一类新的超导母体.2.1.6 A n d r e e v反射在铁基高温超导体S m F e A s(O,F)被发现之后,对于其超导能隙的研究就成为了一个非常迫切的课题.我们小组和美国霍普金斯大学的C.L.C h i e n小组合作,通过A n d r e e v反射谱测量了S m F e A s O0.85F0.15样品(T c=43K)的能隙结构[22],其能隙值2Δ=13.34±0.3m e V,2Δ/K b T c=3.68,这与B C S的预测值3.53很相近.该能隙随温度增加而减小,并且在温度为T c时消失,其行为与B C S 的预测十分吻合,但是与铜氧化物高温超导体中的赝能隙现象有着显著的不同.研究结果明确地显示出一个非节点能隙序参量,其在费米面的不同区域几乎是各向同性的,这与铜氧化物超导体的d波对称性不一致.2.1.7 1111结构铁基超导体的比热研究我们组与复旦大学的李世燕小组合作研究了系列铁基高温超导体S m O1-x F x F e A s(0≤x≤0.2)的比热[23].在S m O F e A s母体中,在130K附近观察到一个比热跳跃.它是由结构或自旋密度波转变导致的,这一点也反映在电阻率的异常行为上.但是这种比热跳跃在F低掺杂(x=0.05)的样品中并没有发现,不过电阻率的异常行为仍然存在.而在x=0.15和0.20的样品中,比热在T c附近呈现出不规则性,这种不规则性在L a O1-x F x F e A s中并没有发现.在母体化合物S m O F e A s中,比热在4.6K处出现一个峰值;而在x=0.15的样品中,峰值位置下移至3.7K.该峰值被认为是来自于体系中S m3+的反铁磁序,这和电子型铜氧化合物高温超导很相似.我们组还与日内瓦大学的R.F l u k i g e r科研组合作,研究了在20T磁场下的S m F e A s O0.85F0.15比热[24].同时给出了多晶S m F e A s O0.85F0.15样品(T c=46K)的B-T相图.B C2的温度依赖关系可从比热曲线中得出;同时根据W e r t h a m e r-H e l f a n d-H o h e n b e r g 公式算出相应的B C2(T=0K)为150T.基于磁化率随磁场H变化的关系(0 9T),估计出临界电流J c 与磁场强度H的依赖关系.同时在M s H图中观测到了一个峰,这表明存在一个2D-3D交叉的磁通涡流,与高温超导体铜氧化合物中的行为相类似.2.1.8 1111结构的中子散射研究我们与美国L o s A l a m o s国家实验室的B a o W e i小组合作,利用中子散射研究了1111结构的多晶样品L a F e A s(O,F)和N d F e A s(O,F).在超导样品L a F e A s(O,F)(T c=26K)中,通过中子散射实验发现,该体系在正常态没有S DW有序,说明在这个体系中超导与S DW具有相互竞争的关系[25].进一步的非弹性中子散射结果发现,在自旋波激发中,有一个显著的共振峰,这个结果并不支持自旋波响应的d波配对的机制,但却能很好地与扩展的s波配对机制相吻合.对该体系的声子谱进行了研究,结果表明,传统的电声配对机制并不能给出该体系如此高的超导转变温度,这与理论计算的结果相一致.在N d F e A s(O,F)体系中,研究了母体和超导样品的中子散射[26].在2K以下,观察到一个反铁磁转变,通过R i e t v e l d精修,发现F e离子和N d离子在㊃116㊃铁基超导体专题物理㊃38卷(2009年)9期 h t t p:∕∕w w w.w u l i.a c.c nh t t p:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理㊃38卷(2009年)9期2K 以下形成了交错的反铁磁序,其中F e 的有序磁矩为0.9玻尔磁子.在超导样品中,结构相变和磁相变都没有观察到.2.1.9 122结构的中子散射研究我们与美国L o sA l a m o s 国家实验室的B a o W e i 小组合作,研究了122结构的B a F e 2A s 2的磁相变和结构相变[27].结果表明,在122体系中,同样在电阻率反常的温度也发生了S D W 转变和结构相变,并且不同于1111结构[28],两个相变是在同时发生的,两者属于一级相变,并且能观察到明显的热滞现象.我们还精确地确定了体系的磁结构,发现它与1111结构的磁结构是相同的,也同样具有条纹状反铁磁磁结构,其磁矩为0.87玻尔磁子.这个结果对于理解铁基超导体普适的机理提供了非常好的基础.2.1.10 同位素效应在S m F e A s O 1-x F x 和B a 1-x KF e 2A s 2体系中,通过氧和铁同位素交换,研究超导临界温度(T c )和自旋密度波转变温度(T S D W )的变化,发现T c 的氧同位素效应非常小,但是铁同位素效应非常大[29].该体系铁同位素交换对T c 和T S D W 具有相同的效应.这表明在该体系中,电-声子相互作用对超导机制起到了一定的作用,但是并不是简单的电-声子相互作用机理,还存在自旋与声子的耦合.实验发现,在铁基超导体中,对于T c 和T S D W 的铁同位素效应都大于氧的同位素效应.这是由于铁砷面是导电面,因而其对超导电性有很大的影响,并且自旋密度波有序也是来自于铁的磁矩.在铜氧化合物高温超导体中,超导临界温度的同位素效应随掺杂非常敏感.在最佳掺杂时,同位素效应几乎消失,而随着降低掺杂逐级增大并在超导与反铁磁态的边界上达到最大值.这表明在铜氧高温超导体中,同位素效应与磁性涨落也有着密切联系.这种反常的同位素效应表明,电-声子相互作用在铜氧化合物中也同样非常重要.因而,这一结果表明,探寻晶格与自旋自由度之间的相互作用对理解高温超导电性机理是非常重要的.2.2 铁基超导体的单晶制备及物性研究单晶的获得对于物理性质的研究无疑是一件非常基础和重要的工作,然而对于铁基超导体,1111结构的单晶制备非常的困难.122结构铁基超导体的发现使得单晶的制备成为可能.本节主要介绍我们组在122结构铁基超导单晶制备方面的研究进展,以及在单晶物性研究方面取得的结果:我们组在国际上首次利用自助熔剂法成功地合成了高质量的铁基砷化物122结构的系列单晶,这为铁基超导体的进一步深入研究打下了坚实的基础.2.2.1 B a F e 2A s 2单晶的制备及物性研究我们首次报道了采用自助熔剂生长较大的B a F e 2A s 2单晶[30].晶体的尺寸可以达到3×5×0.2mm 3.本征的输运和磁性以及各向异性第一次在单晶材料中被报道.在单晶的磁化率测量中,在低温温区,没有观察到多晶材料中的居里-外斯行为,并且在自旋密度波温度以上观察到一个随温度线性变化的磁化率行为.我们还观察到电阻率的极小值强烈地依赖于磁场,并且在低温电阻率发生了一个类似于欠掺杂的铜氧化物的l o g (1/T )发散.高质量B a F e 2A s 2单晶的本征输运和磁性结果给理论研究提供了本征的现象.2.2.2 C a F e 2A s 2单晶的制备及物性研究我们报道了高质量的C a F e 2A s 2单晶本征的输运性质和磁性[31].该材料中的自旋密度波在电阻率上会导致电阻的急剧增加,这不同于R O F e A s 和M F e 2A s 2(M =B a ,S r )中自旋密度波的响应[2,11].这种不同的电阻率响应对于理解自旋密度波在铁基超导体中的作用是非常有帮助的.C a F e 2A s 2的磁化率行为和B a F e 2A s 2单晶的磁化率行为非常相似.在165K 的自旋密度波温度以上,磁化率也表现出随温度线性变化的行为.同时发现,用部分N a 取代C a 以后,导致体系在20K 左右表现超导电性.2.2.3 E u F e 2A s 2单晶的制备及物性研究我们采用F e A s 自助熔剂法合成了一种新的122结构母体单晶E u F e 2A s 2,并成功地进行了E u 位的L a 掺杂单晶生长[32].随后,系统地测量了L a 掺杂的E u F e 2A s 2单晶在不同磁场下的电阻率㊁磁化率和比热,发现E u2+离子的磁性子晶格具有变磁性,在一定的磁场下发生A 型反铁磁到铁磁性转变.随着磁场的增加,比热跳变被压制,并且向低温漂移,达到一临界磁场后继续增加磁场,比热峰又向高温漂移,这一行为支持了变磁性.在反铁磁态,面内磁化率具有与S DW 一样的两度对称性,然而在铁磁态这种两度对称性磁化率行为消失;另外,当S DW 随L a 掺杂被压制时,铁磁态更加容易在磁场下形成.我们提出了一个各向异性的交换模型来理解我们的实验现象.最后给出了x =0和0.15单晶样品的详细的H -T 相图和可能的磁结构.2.2.4 C o 掺杂的B a F e 2A s 2超导单晶的制备及物性研究我们采用自助熔剂法合成了系列的B a F e 2-x㊃216㊃铁基超导体专题C o x A s2单晶,并且系统地研究了该体系的输运㊁磁化率和比热性质[33].在欠掺杂区,在电阻率和磁化率上看到S DW转变.磁化率结果显示,在转变温度以上直到700K,存在反常的温度线性磁化率.随着C o的掺杂,S DW被压制,超导转变出现.在x=0.17附近的B a F e2-x C o x A s2的电输运㊁比热和磁化率都显示出与(B a,K)F e2A s2相似的超导与S DW 的共存;当x>0.34时,超导彻底消失.随着C o的掺杂,我们观察到了非费米液体到费米液体的渡越.从S DW到超导态演化的电子相图被提出,在相图中,存在超导与S DW的共存区间.2.2.5 B a(F e C o)2A s2超导单晶的扫描隧道谱研究我们与美国哈佛大学J.E.H o f f m a n小组合作,通过扫描隧道谱系统地研究了B a F e1.8C o0.2A s2单晶样品的超导能隙以及磁通涡旋现象[34].结果表明,B a F e1.8C o0.2A s2(T c=25.3K)的超导能隙为6.25m e V,同时在9T和6T下存在一个无序的各向同性㊁单量子磁通涡旋格子,并且这种磁通涡旋位置与强的表面杂质无关,体现出体钉扎效应.通过拟合磁通涡旋数据,推算出其相干长度ζ为27.6±2.9Å,上临界场H c2为43T.在磁通涡旋中心并没有观察到s u b g a p峰,这有别于d波铜氧化合物超导体以及传统的s波超导体.2.2.6 122单晶的角分辨光电子能谱(A R P E S)研究我们与复旦大学封东来实验组合作,研究了B a F e2A s2和S r F e2A s2体系的角分辨光电子能谱[35,36].对于母体化合物,直接测量铁基超导体母体B a F e2A s2和S r F e2A s2的电子结构,这为以后进一步的研究提供了基础.观察到通过能带结构的奇异交换劈裂使S DW的能量降低,而不是由于巡游电子的费米面嵌套.这清楚地证明了金属性的S DW 态主要是局域磁矩之间的相互作用导致的,这与反铁磁态的铜氧化合物的母体非常相似.另外,由于S DW的机制及其与超导的关系是新发现的铁基高温超导体的主要问题.特别是超导是否真的与S DW互相排斥还不清楚.利用角分辨光电子谱,研究了S r1-x K x F e2A s2(x=0,0.1,0.2)中能带的交换劈裂和劈裂的非刚性带行为.发现在超导样品中,同样可以观察到交换劈裂行为,证明了在铁砷化合物中超导可以与S DW共存.2.3 铁基超导体的电子相图及S DW和超导共存研究最近的研究表明,铁基超导体属于非传统超导体,电声相互作用并不能导致如此高的临界转变温度[7],强的铁磁或反铁磁涨落被认为是可能的原因[8 10],然而其机理还不是很明朗,其丰富的物理性质有待人们展开进一步深入的研究.研究表明, L a O F e A s母体化合物在150K会发生一个S DW转变[23].随着氟原子的掺杂,S DW会被压制而超导电性出现[2].系统的相图研究对于理解超导电性与自旋密度波的关系将会是非常重要的,这对于理解该体系的超导电性机理也是非常有帮助的.本节主要介绍我们组在铁基电子相图以及S DW与超导共存方面的研究进展.2.3.1 S m F e A s(O F)体系的电子相图我们详细地研究了铁基超导体S m F e A s O1-x F x (x=0 0.2)相图以及其反常的输运性质[6].当F 掺杂到0.07时,样品出现超导电性,并且T c随F 掺杂量的增加而升高,其最佳掺杂出现在x=0.2附近,其T c为54K.由于结构相变或S DW有序所导致的电阻率异常峰随着F的掺杂而迅速压制,并且在x=0.14附近出现量子临界点现象.这主要表现在电阻率随温度变化关系上,在x<0.14的样品中,其电阻率ρ跟温度T的线性关系出现在电阻率异常峰以上高温区域;而在x>0.14的样品中,其电阻率ρ跟温度T的线性关系出现T c以上的低温区域.同时霍尔系数在电阻率异常峰之下的温度区域有明显的增加,这表示载流子浓度在此温度之下有显著减少.在所有不同掺杂含量的S m F e A s O1-x F x体系中,发现存在霍尔角与温度成c o tθH~T1.5的标度关系.图2给出了不同掺杂组分S m F e A s (O,F)的电阻随温度的变化关系.图3给出了完整的S m F e A s(O,F)的电子相图,为研究该体系的物理机制提供了很好的基础.2.3.2 S DW与超导电性共存的μ介子自旋(μS R)研究我们与F r i b o u r g大学的C.B e r n h a r d等科研小组合作,通过μ介子自旋(μS R)证实了S m F e A s O1-x F x体系中存在磁涨落与超导共存[37].测量了S m F e A s O1-x F x(x=0.18和0.3)样品的μ介子自旋.观察到在超导转变温度T c邻近出现一个不寻常的慢自旋涨落加强,这表明自旋涨落对非传统超导态的形成有一定的贡献.推算了其面内穿透深度为λa b(0)=190(5)n m,这证实了这类铁基高温超导体在T c和λa b(0)-2之间遵循U e m u r aP l o t 关系.进一步通过μ介子自旋系统地研究了S m F e A s O1-x F x(x=0 0.3)体系,静态磁有序一直㊃316㊃铁基超导体专题物理㊃38卷(2009年)9期 h t t p:∕∕w w w.w u l i.a c.c nh t t p:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理㊃38卷(2009年)9期图2 S m F e A s O 1-x F x 不同组分的电阻率随温度变化曲线.图中T s 的箭头代表自旋密度波转变温度,T 0和T '0箭头代表电阻率偏离线性的温度.对于x ≤0.14的样品,在低温处的电阻可以很好地用a +b T n 来拟合.而对于x ≥0.15的样品,在低温处的电阻和温度成正比.图引自文献[6]图3 S m F e A s O 1-x F x 体系的电子相图.图中T s 代表电阻率曲线上反常峰值所对应的温度.T 0和T '0分别代表在高温区和低温区电阻率曲线偏离线性温度行为时所对应的温度.图中的颜色深浅代表电阻率用公式ρ=a +b T n 拟合所得的n 值大小.我们可以明显地看出,x =0.14处是不同电阻率随温度变化行为的分界.这意味着在x =0.14附近处存在量子临界点(Q C P ).图中的S C 区域代表超导区域.图引自文献[6]延伸到高掺杂区域,在0.1≤x ≤0.15区域,静态磁有序与超导共存,低能自旋涨落在最佳掺杂区域也可以明显地观察到.S m F e A s O 1-x F x 体系的晶体结构和电子结构与铜氧化合物高温超导体非常不同,然而发现它们的磁性与超导相图随掺杂浓度的关系是非常相似的[38].2.3.3 S DW 与超导共存的压力效应研究我们组与休斯顿大学的C .W.C h u 科研组合作,研究了压力对S m F e A s O 1-x F x 体系的超导和自旋密度波(S DW )的影响[39].在L n F e A s O 1-x F x 体系中,通过离子半径小的三价稀土元素取代L a ,T c 被提高至41 55K.许多理论模型被提出,并强调在这类化合物中超导的磁性起源是非常重要的,通过加压力,R e (O 1-x F x )F e A s 体系T c 可能会更高.随后在L a (O 0.89F 0.11)F e A s 中证实了压力能提高T c .然而与以前预测不同的是,在S m F e A s O 1-x F x 体系中,发现压力既能增加也能减小T c ,这取决于掺杂含量.我们同时还与爱丁堡大学的K o s m a sP r a s s i d e s科研小组合作,在S m F e A s O 1-x F x (0.01≤x ≤0.20)样品中研究了压力效应与掺杂浓度的关系[40],在x ≤0.15的样品中,压力是增强T c ,而在x ≥0.14样品中压力是压制T c .压力效应在x =0.15附近出现一个变号,这跟电阻与霍尔效应表明在x =0.14附近可能存在一个量子临界点(Q C P )相一致.在欠掺杂区域,超导温度T c 对原子间距非常敏感,然而在最佳掺杂区域附近这种效应被减弱510倍.进一步,通过高精度的同步辐射X 射线衍射证明,在x <0.15的样品中,在低温下都会发生从四方到正交的结构相变;对于x >0.15的样品,整个温区内都为四方结构[41].这个结果可以很好地理解压力效应在x =0.14前后的不同.在x <0.14时,低温正交结构导致了压力对T c 的增加,而在x >0.14时,低温四方结构则导致了压力对T c 的降低.同时,还发现,S DW 序只能存在于低温正交结构中,这表明随着掺杂,结构相变温度趋于零的同时,S DW 转变同样在x =0.14处存在S DW 消失的临界点.2.3.4 S m F e A s O F 体系高场下的电阻率行为研究我们组与美国国家强场实验室的G.S .B o e -b i n g e r 科研组合作,研究了S m F e A s O 1-x F x 体系在高场(50T )下的电阻率行为[42].对于x <0.15的低掺杂样品,其低温电阻率在高场下表现出明显的磁阻行为.在磁场压制超导转变后,观察到电阻率在低温表现l o g(1/T )的 绝缘性”行为,这与欠掺杂的铜氧化合物超导体表现的行为完全相同.对于x >0.15的样品,其超导转变温度之上表现小磁阻的行为,强磁场只使超导转变展宽.这种磁场导致电阻率 绝缘性”行为随掺杂浓度的变化关系与前面给出的S m F e A s O 1-x F x 电子相图㊁结构转变相图,压力效应随掺杂浓度的关系是一致的.所有这些行为都与μS R 给出的磁相图相关,在x <0.15的样品,㊃416㊃铁基超导体专题。
