中國儲能網(wǎng)訊：理解高溫超導(dǎo)體電子態(tài)相圖一直都是高溫超導(dǎo)機理研究的核心課題，其中關(guān)鍵難點之一就是銅氧化物高溫超導(dǎo)體正常態(tài)下贗能隙的物理機制，盡管理論上認為電子向列相是其可能的起源，卻一直未找到?jīng)Q定性的實驗證據(jù)。有關(guān)問題在鐵基高溫超導(dǎo)體研究中取得了新進展：最近實驗上發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料的電子態(tài)在鐵砷二維平面內(nèi)不僅在低溫正交相（晶格為二重對稱性）下呈現(xiàn)強烈各向異性，而且一直持續(xù)到高溫四方相（晶格為四重對稱）中，其消失溫度T*要遠高于晶體結(jié)構(gòu)相變溫度Ts和反鐵磁相變溫度TN。理論上預(yù)言，這種在四方相中的電子態(tài)對稱破缺也主要來自于電子向列相的形成，和銅氧化物中贗能隙現(xiàn)象極為相似。鐵基超導(dǎo)體電子態(tài)在平面內(nèi)的各向異性實驗證據(jù)主要來自電阻率、磁化率、光學(xué)響應(yīng)等輸運測量結(jié)果，且這些實驗中往往需要加偏置壓力使樣品退孿晶，目前尚不清楚偏置壓力是否引入人為因素。盡管角分辨光電子譜已經(jīng)給出軌道各向異性的證據(jù)，在更為均勻的退火樣品中的輸運研究以及掃描隧道顯微鏡的局域態(tài)密度分析說明雜質(zhì)效應(yīng)也同樣會造成此結(jié)果，而和自旋相關(guān)的各向異性研究則一直缺乏。
最近，中科院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)超導(dǎo)國家重點實驗室戴鵬程研究組的羅會仟副研究員、李世亮研究員、戴鵬程研究員和博士生王猛、魯興業(yè)、張睿等人利用極化中子散射，針對電子型摻雜鐵基超導(dǎo)體BaFe2-xNixAs2中電子態(tài)各向異性開展了深入的研究（圖1）。他們首先確認與超導(dǎo)密切相關(guān)的自旋共振模無論在能量、動量還是溫度依賴關(guān)系上都是空間各向同性的，屬于從自旋單態(tài)到三重態(tài)的庫柏電子對激發(fā)。然而在更低能量段（< 5meV），自旋激發(fā)在不同的中子極化方向出現(xiàn)明顯的各向異性（圖2）。令人驚訝的是，這種低能自旋激發(fā)的各向異性一直持續(xù)到結(jié)構(gòu)相變溫度Ts和反鐵磁相變溫度TN之上，并最終和電阻的各向異性同時在T*溫度消失。更有意思的是，這種各向異性在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc之下還被進一步增強 （圖3）。通過對多個動量空間點的測量數(shù)據(jù)進行綜合分析，他們認為低能自旋激發(fā)的各向異性主要來源于平面內(nèi)自旋激發(fā)分量M110和M1-10的差異（圖4）。 因此，高溫四方相下的各向異性的低能自旋激發(fā)可以解釋為：電子通過自旋-軌道耦合效應(yīng)在自旋激發(fā)態(tài)中體現(xiàn)了軌道序的各向異性。由于極化中子散射具有獨特的自旋空間分辨和動量空間分辨功能，該實驗結(jié)果在沒有加偏置壓力的樣品上獲得，更加體現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體電子態(tài)各向異性的本征性。該實驗首次從自旋角度揭示了鐵基超導(dǎo)體在四方相中的電子態(tài)各向異性，對理解高溫超導(dǎo)體中向列相乃至贗能隙的形成有重要參考意義。該項研究結(jié)果發(fā)表在近期的Physical Review Letters上【Phys. Rev. Lett. 111, 107006 (2013)】。
上述研究工作中的極化中子散射實驗與法國勞厄-朗之萬研究所(ILL)的Louis-Pierre Regnault、美國萊斯大學(xué)和田納西大學(xué)的博士后張承林合作完成，理論方面與物理所/美國普渡大學(xué)的胡江平研究員合作。
該研究工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學(xué)基金青年基金項目以及美國相關(guān)科學(xué)基金等項目的支持。
圖1. BaFe2-xNixAs2電子態(tài)相圖，其中T*為平面內(nèi)電阻各向異性消失溫度，箭頭所指為測量樣品摻雜點。
圖2. 低能自旋激發(fā)在y和z極化方向出現(xiàn)明顯的各向異性。
圖3. E=3meV處自旋激發(fā)的各向異性一直持續(xù)到遠高于TN和Ts的T*溫度，并在Tc以下的超導(dǎo)態(tài)增強。
圖4. 低能自旋激發(fā)的各向異性主要來源于平面內(nèi)自旋激發(fā)分量M110和M1-10的差異。
