镧氧铁砷中发现新的高温超导相

在过去的一个世纪里，超导（特别是高温超导）吸引了无数的物理学家和材料学家的兴趣。这不仅因为超导现象所包含的物理丰富，而且因为其在工业上的应用前景广阔且逐渐步入人们的日常生活。目前发现的高温超导体有两大家族，一是铜氧化物，另一是铁基化合物。共同的特点是，高温超导都是出现在反铁磁有序态附近的。因此，很多人认为，磁（自旋）涨落促使了这些材料中的电子配对。长期以来，高温超导的探索都是在这样的指导思想下进行的。

最近，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)的科研人员在远离反铁磁有序的铁基材料中发现了新的高温超导相。而且，超导的最高转变温度Tc超过了同物质在磁有序附近的超导相，达到了41K（按电阻率数据定义）。

铁基化合物超导体最初由日本东京工业大学的Hosono研究组于2008年发现。其母体材料LaFeAsO存在反铁磁有序相，用氟元素取代一部分氧元素之后，磁有序被抑制，超导出现。超导转变温度Tc随氟掺杂量x而变化，形成一个拱形的超导区域，x只能达到0.2。当x = 0.06时，样品的Tc最高，达到27 K，这时存在很强的低能自旋涨落。这自然导致人们相信，在铁基超导体中，超导是由自旋涨落引起的。

最近，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室郑国庆研究组（SC9组)的杨杰副研究员等与赵忠贤院士以及李建奇研究组合作，通过高压样品制备技术合成出一系列LaFeAsO1-xFx高掺杂样品，其掺杂量x可达0.75，远超过去人们的认知。通过电阻率、磁化率，核磁共振等测量，发现超导转变温度Tc随x形成一个新的超导区域，在最佳掺杂x = 0.5-0.55时，Tc甚至比原先的x = 0.06还高（按电阻率电阻数据定义的Tc是41K。按磁化率定义的Tc是30 K）。

更令人惊异的是，在这个新发现的超导区域里，物理性质与之前报道的第一个超导区域完全不同。首先，NMR自旋晶格弛豫率1/T1T测量没有发现自旋涨落的迹象；其次，通过NMR和电镜发现，样品中存在一种新型的结构相变，相变发生时，四重旋转对称性被破坏，而相变发生的温度随掺杂量变化的线恰好可以延伸到最佳掺杂附近。与此同时，电阻率在最佳掺杂附近表现出线性的温度变化，预示着一种新的量子涨落。

这项工作暗示，高温超导可能是一种极为普适存在的现象。除了近30年来人们讨论的自旋涨落以外，如轨道涨落等其他机制，也可能引起高温超导。这项成果为探索高温超导提供了一条崭新的线索。该研究结果以Express的方式发表在Chin. Phys. Lett., 32, 107401 (2015)。

本研究得到了科技部973项目 、中科院B类先导项目、国家自然科学基金委的支持。

图1： LaFeAsO1-xFx的相图。AF，SCI，SCII分别表示反铁磁，超导区I和超导区II。超导转变温度Tc由磁化率转变确定，结构相变温度Ts和Xs由核磁共振实验和电镜实验确定。