科學家發現鐵基超導體大同位素效應

2020-12-04 科學網
科學家發現鐵基超導體大同位素效應
中科大陳仙輝小組最新成果發表在英國《自然》雜誌

 

本報訊 日前，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室陳仙輝教授小組在鐵基超導體研究方面取得重要進展，發現了鐵基超導體中的大同位素效應。國際學術期刊《自然》5月7日發表了這一研究成果。

 

傳統的bcs理論（解釋常規超導體的超導電性的微觀理論）預言，超導體的最高溫度不會超過麥克米蘭極限的39k（-234攝氏度）。在以往的研究中，只有1987年發現的銅氧化合物超導體打破了這一極限，被稱為高溫超導體。最近，在鐵基磷族化合物中發現的超導電性其超導臨界溫度可達55k，同樣突破了傳統bcs理論預言的麥克米蘭極限。這是第一個非銅基的高溫超導體，掀起了高溫超導研究的又一次熱潮。

 

理論研究表明，傳統的超導機理——電—聲子相互作用並不能解釋鐵基超導體如此高的超導臨界溫度，因此人們提出了與磁性相關的超導機制。但是，實驗顯示，鐵基超導體的超導電性與磁性對晶體結構非常敏感，這表明體系可能仍然存在重要的非傳統電—聲子相互作用。同位素交換研究是研究電—聲子相互作用最直接的方法之一，它可以直接反映體系中電—聲子相互作用對超導溫度的影響，從而判斷其超導機制。

 

陳仙輝小組通過氧和鐵同位素交換，研究鐵基超導體釤氧氟鐵砷化合物和鋇鉀鐵砷化合物中超導臨界溫度和自旋密度波轉變溫度的變化，發現氧同位素效應非常小，但是鐵同位素效應非常大。令人驚奇的是，該體系鐵同位素交換對超導和自旋密度波轉變具有相同的效應。這表明在該體系中，電—聲子相互作用對超導機制起到了一定作用，但並不是簡單的電—聲子相互作用機理，其中自旋與聲子的耦合也很強。國際上對銅氧化合物高溫超導體的研究已表明，超導臨界溫度的同位素效應對摻雜非常敏感，在最佳摻雜，同位素效應幾乎消失，而在磁性漲落很強的欠摻雜區，隨著降低摻雜逐漸增大並在超導與反鐵磁態的邊界上達到最大值。這表明在銅氧高溫超導體中，同位素效應與磁性漲落也有著密切聯繫。這種反常的同位素效應表明，電—聲子相互作用在銅氧化合物中也同樣很強。

 

陳仙輝小組的上述發現表明，探尋晶格與自旋自由度之間的相互作用對理解普適的高溫超導電性機理非常重要；鐵基高溫超導體同位素效應可能具有和銅氧高溫超導體同位素效應類似的物理起源，這為普適的高溫超導機理研究開闢了新的思路。

 

由於同位素交換實驗是十分精細的實驗，需要對實驗樣品有非常嚴格的控制，因而實驗難度非常大。《自然》雜誌審稿人對陳仙輝小組的同位素實驗給予了高度肯定，指出：「實驗結果十分精確，表明在兩種材料有大的鐵同位素效應」，並認為該結果的意義非常重大。（楊保國）

 

《科學時報》 (2009-5-14 A1 要聞)

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