铁基超导体中的马约拉纳零能模及其阵列构筑

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,其编织操作可用于构筑拓扑量子比特,是拓扑量子计算的基本单元,可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题.现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构,如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等,以及单一材料,如2M-WS_(2),4Hb-TaS_(2)和铁基超导体等.铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势,引起了广泛关注.最近,大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到,为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台.本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测,其中将重点介绍FeTe_(0.55)Se_(0.45),(Li_(0.84)Fe_(0.16))OHFeSe,CaKFe_(4)As_(4)和LiFeAs等材料体系.接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作.然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作.最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望.

铁基超导体材料和物理研究

自2008年初在铁砷/铁卤(FeAs/FeSe)基材料中发现高温超导电性以来,已经有至少7种结构类型的材料被合成出来了。其中在"1111"体系中,电阻和磁化测量得到的超导转变温度可达56 K,而且有迹象表明超导转变温度有可能会继续升高。在铁基超导体的正常态,有很多非常规电子特性,如反铁磁性和四方-正交结构相变等也被观察到。铁基超导体是典型的多带超导体,具有较长的相干长度、近三维的电子特性、很高的上临界磁场及不可逆磁场和很强的磁通钉扎能力等物理性质,因此它们在强磁场方面有很好的应用前景。简单综述了铁基超导材料的结构类型,针对几种主要结构类型的性质进行了描述,对电子配对的机理问题作了比较详尽的阐述,结合临界电流和临界磁场行为,展望了铁基超导体的应用前景。

铁基超导体的磁性研究

介绍了超导电性的发展简史及其广阔用途,介绍了铁基超导体的结构分类和物质的磁性分类;以BaFe2As2为例综述了铁基超导体中铁磁和超导共存的研究现状,同时以SmOCoAs为例研究了1111相中丰富的磁结构,从而阐明磁性在铁基超导电性研究中的重要地位;最后针对高温超导微观机理研究和超导新材料探索提出了见解.

利用单轴压强下的电阻变化研究铁基超导体中的向列涨落

铁基超导体中普遍存在着反铁磁、超导和向列相,因此研究向列相的性质及其与反铁磁、超导的关系对于理解铁基超导体的低能物理及高温超导电性具有非常重要的作用.所谓向列相是指电子态自发破缺了晶格的面内四重旋转对称性而形成的有序态,从而导致样品的某些物理性质出现了两重的各向异性.我们通过自主研发的单轴压强装置,可以在低温下原位改变压强,测量电阻的变化,从而得到向列极化率.本文介绍了我们利用该装置在最近几年研究铁基超导体的向列相和向列涨落所取得的一些成果,包括详细研究了BaFe_(2-x)Ni_xAs_2体系中的向列量子临界点及其量子临界涨落,并提出了基于向列涨落强弱调节的铁基超导体统一相图.这些结果表明,向列相及其涨落与反铁磁和超导均有很强的耦合,对于理解铁基超导体中磁性和超导电性非常关键.

铁基超导体掺杂和加压下结构对超导电性的影响

根据铁基超导体晶体结构的不同分类,重点讨论了掺杂和加压下结构对超导电性的影响,总结了影响超导电性的局域结构因素及其理论和实践意义.

铁基超导体中的化学掺杂研究

目前已经发现的绝大部分铁基超导体都是通过化学掺杂而得到的。铁基超导体的母体一般在200 K以下经历自旋密度波(SDW)转变:即其基态是一类巡游电子反铁磁不良导体。通过适当的元素替代可以在FeAs层产生额外的电子、空穴、巡游性或化学压力,从而有效地抑制SDW序,实现超导电性。本文侧重作者所在小组的相关研究结果,将铁基超导体中的元素替代研究分为FeAs层外和FeAs层内掺杂两大类,依次介绍和评述两年来国际上对4种主要铁基化合物中的化学掺杂研究进展。

高压下的铁基超导体:现象与物理

始于2008年的铁基超导体研究续写了高温超导发展史的新篇章.回顾过去十年对铁基超导体的研究,在理论、实验及应用方面都取得了辉煌的成绩,丰富了人们对高温超导电性的认识,为突破高温超导机理研究、最终实现超导材料的人工设计与更广泛的应用奠定了坚实的基础.本文主要介绍了通过高压实验研究手段在铁基超导体的研究中取得的一些重要进展及呈现出的新现象和新物理,例如压致超导现象、压力导致的超导再进入现象、压力对超导转变温度的提升效应、压力研究对铁基超导体超导转变温度的预测、相分离结构对超导电性的影响及反铁磁-超导双临界点的发现等.希望这些高压研究结果与本文报道的其他各类实验与理论研究成果一起,为全面、深入地理解铁基超导体勾画出一幅较为完整的物理图像.

铁基超导体的量子临界行为

铁基超导体呈现丰富的电子相图,各种有序态相互交叠.本文主要介绍利用核磁共振手段在空穴型和电子型掺杂的BaFe2As2以及LaFeAsO1-xFx这三种具有代表性的铁基超导体中探测到的反铁磁序与超导序的微观共存、量子临界点和量子临界行为.实验发现,无论在空穴型还是电子型掺杂的铁基超导体中,反铁磁相变温度都随着掺杂被抑制,并最终在某个掺杂量降到零温而形成量子临界点.在反铁磁转变温度之上存在结构相变,其转变温度也随着掺杂而降低.核磁共振谱证实结构相变也形成一个量子临界点.本文介绍核磁共振及输运测量揭示的这两种量子临界点附近存在的量子临界行为,共存态下奇异的超导性质等.

铁基超导体多轨道模型中的电子关联与轨道选择

大部分铁基超导体的正常态呈现坏金属行为,这表明体系中存在较强的电子关联效应.最近的实验与理论研究显示,铁基超导体中的电子关联具有多轨道的特征.本文介绍与评论铁基超导体多轨道哈伯德模型中电子关联方面理论研究的最新进展;着重讨论以隶自旋技术为代表的一系列量子多体计算方法在研究多轨道系统中金属绝缘体相变的应用.理论计算给出了铁基超导体多轨道哈伯德模型基于电子关联的基态相图.在对应母体化合物的电子填充数时,基态存在从金属到绝缘体的莫特转变.临近莫特转变,体系呈现坏金属行为;其电子性质存在较强的轨道选择性.轨道选择性的强弱与体系中的洪德耦合和轨道的晶体场劈裂密切相关.对钾铁硒系统,研究发现其基态相图存在轨道选择莫特相:其中铁的3d xy轨道已被莫特局域化,但其他3d轨道电子仍具有巡游性.这一新相的发现,对理解以钾铁硒为代表的一大类铁基超导体正常态与超导之间的联系提供了重要线索.

铁基超导体NdFeAsO0.82F0.18的涡旋晶格融化

在涡旋弹性理论和Lindemann判据的框架下,基于两个Lindemann系数的假设,研究了当磁场方向与各向异性轴垂直时铁基超导的涡旋晶格的融化相变.同时给出了未考虑和考虑层状钉扎势的情况下系统在两个方向的热涨落,以及相关的涡旋晶格融化线.

新型交生结构自掺杂铁基超导体

铁基高温超导体的基本结构单元是反萤石型Fe_2X_2层(X为磷族或硫族元素),因此,设计具有Fe_2X_2层的新化合物成为探索铁基超导材料的有效途径.本文在回顾铁基超导体结构特征和基本结构类型的基础上,归纳总结了铁基超导体块层结构设计的基本原则;着重介绍迄今发现的几类具有层状交生(intergrowth)结构的新型自掺杂铁基超导材料.

铁基超导体中的反铁磁序和自旋动力学

类似于其他非常规超导材料,铁基高温超导电性通常出现在静态长程反铁磁序被抑制之后,并且强烈的自旋涨落始终与超导电性相伴相生,因此理解磁性相互作用是建立铁基超导微观机理的重要前提.中子散射作为研究凝聚态物质中磁性相互作用的有力工具,在揭示铁基超导电性的磁性起源方面起到了关键作用.本文系统总结了近十年来铁基超导材料的中子散射研究结果,包括铁基超导材料中的静态磁结构、磁性相变、动态磁激发、电子向列相等,并探讨它们与超导电性之间的关系.

铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展

铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s~±波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.

铁基超导体的晶体结构和线带材研究进展

铁基超导体具有较高的临界电流密度、极高的上临界磁场和较低的各向异性,在超导电力领域具有良好的应用前景。在铜氧化物超导体之后,铁基超导体在高温超导领域引起了广泛的关注。本文介绍了铁基超导体的晶体结构分类,铁基超导线带材的研究进展,并展望了其发展趋势。

铁基超导体的输运性质

在铁基超导体中存在着多种有序态,例如电子向列相和自旋密度波等,从而呈现出丰富的物理现象.输运性质的测量能为认识铁基超导体的低能激发提供极为有用的信息.铁砷超导体由于其电子结构的多能带特性,其电阻率和霍尔系数与温度的关系出现多样性的变化,但在正常态并没有看到有类似铜氧化物超导体的赝能隙打开等奇异行为.在空穴型掺杂的铁基超导体中观测到霍尔系数在低温下变号,对应温区的电阻率上出现一个很宽的鼓包等,可能是从非相干到相干态的转变.热电势行为也表现出与铜氧化物超导体的明显差异,比如铁基超导体的正常态热电势的绝对值反而在最佳掺杂区是最大的,这也许跟强的带间散射有关.能斯特效应表明铁基超导体在Tc以上的超导位相涨落并不明显,与铜氧化物超导体存在明显差别.在铁基超导体上所显示出来的这些反常热电性质,并没有在类似结构的镍基超导体(如LaNiAsO)上观测到,镍基超导体表现得更像一个通常的金属.这些均说明铁基超导体的奇异输运性质与其高温超导电性存在内在的关联,这些因素是建立其超导机理时需要考虑进去的.

铁基超导体Li_(0.8)Fe_(0.2)ODFeSe的红外光谱研究

测量和研究了铁基超导体Li_(0.8)Fe_(0.2)ODFeSe单晶的红外光学响应,发现室温下光电导率谱不存在Drude分量,载流子具有非相干输运行为.随着温度降低,Drude分量形成并不断变窄,同时在相应的反射率谱上出现清晰的等离子体边,表明散射率急剧降低.在最低温度,观察到超导能隙形成导致的光谱变化,光电导率谱在160 cm^(-1)以下受到显著压制.对比FeSe单晶的光谱数据,发现整体的光电导率谱型很相似,但自由载流子的谱重更低,揭示出样品具有更低的载流子浓度.另外还观察到温度变化诱导的谱重由低频向高频区域转移的现象,表明其存在强关联效应.

铁基超导体(Ba_(0.6)K_(0.4))Fe_(2)As_(2)的本征电子结构和超导能隙研究获进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室周兴江研究组博士生蔡永青、黄建伟以及副研究员赵林等,利用新一代基于飞行时间分析器的真空紫外激光角分辨光电子能谱的超高分辨率和同时探测二维动量空间的独特优势,结合氦灯光源的光电子能谱,对高质量最佳掺杂(Ba_(0.6)K_(0.4))Fe_(2)As_(2)超导体进行了全面系统的电子结构和超导能隙的研究,揭示了其本征的电子结构和超导能隙结构。

铁基超导体的单晶生长及磁通动力学研究进展

铁基超导体具有上临界场高、临界电流密度大且各向异性小等优点,在超导强场磁体、可控核聚变、粒子加速器等国计民生领域具有重要的应用前景.对铁基超导体磁通动力学的研究,一方面可以进一步加深对磁通物理学的认知,同时也可为设计制造性能优异的铁基超导材料提供技术支持.本文首先简要介绍了典型铁基超导单晶材料的合成技术,包括熔融法、助熔剂法、化学气相输运法、热液法等;然后分别从铁基超导体的磁通及磁通晶格结构、磁通钉扎及磁通动力学等方面简要总结了相关研究进展.

铁基超导体的微结构和结构相变研究

铁基超导体表现出丰富的结构和物理性质,在多个典型体系中存在着结构相变和多重有序态之间的关联与竞争.例如,母相化合物LaFeAsO在150K附近发生从四方相(P4/nmm)到正交相(Cmma)的结构相变,同时其电输运性质和磁化率也表现出明显的反常行为.微结构分析发现,在CaFe2As2样品中,存在准周期调制结构,而且在低温区,122体系存在丰富的孪晶畴结构,这种孪晶结构是结构相变的直接结果.另外,在超导材料KxFe2-ySe2(0.7≤x≤0.8,0.2≤y≤0.4)中,Fe空位有序态和结构相分离是理解其结构,也是理解其磁性和输运性质的关键问题,特别是沿[130]晶体带轴方向的5倍超结构与系统的超导电性存在密切关系.

新型铁基超导体角分辨光电子能谱研究

最近发现的新型122结构的铁基超导体掀起了铁基高温超导研究的又一轮热潮.文章利用角分辨光电子能谱实验手段,研究了这类新型铁基材料的电子结构、费米面拓扑和超导能隙.实验结果表明,其在布里渊区中心的能带结构及费米面与其他铁基超导体存在明显差异,并导致嵌套在粒子-空穴通道的费米面消失.另外,在布里渊区边缘的电子型费米面发现了较强的并且有各向同性的超导能隙.这些结果对可能的超导配对机制提出了严格的限制.