日本观测到铁基高温超导体中的磁性与超导共存现象

新技术 2018年10月09日
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一般来说,超导状态会受到磁场和磁性杂质的阻碍,有时超导状态还会被破坏。因此,磁性与超导被认为是竞争关系,但日本兵库县立大学及日本高能加速器研究机构(KEK)等组成的研究小组首次观测到,处于压力下的铁基高温超导体中存在因超导状态而变得稳定的磁相。研发小组利用KEK的同步辐射科学研究设施“光子工厂先进环”(PF-AR)的高亮度X射线,实施了核共振前向散射实验,从而获得了这一观测结果。

相关论文于2018年9月18日发表在美国科学杂志《Physical Review B:Rapid Communications》的在线版上。

1.研究背景

当一种化合物进入超导状态后,电阻变为零,从外部加载的磁场会被排除。如果加载的磁场强度增强,超导体无法彻底排除磁场,那么在超过某种临界磁场后,超导就会被破坏。因此,超导与磁性和磁场被认为是相互矛盾的关系。

不过,有研究者在2008年发现了含磁性元素铁(Fe)的高温超导体。业界认为,这种铁基高温超导体中,铁所具备的3d电子同时负责磁性和超导性,各国的众多研究人员对于这种铁基高温超导体中的磁性与超导性之间的关系都很关注。日本的兵库县立大学、KEK物质构造科学研究所、高亮度光科学研究中心、日本原子能研究开发机构,以及美国海军研究实验室组成的联合研发小组,利用位于日本茨城县的KEK PF-AR和位于日本兵库县的大型同步辐射设施SPring-8(BL09XU)的高亮度X射线,实施了核共振前向散射实验,围绕铁基高温超导体之一的EuFe2As2,主要研究了铁位点的磁性与超导之间的相关性。

2.研究成果

图(a)是施加压力后EuFe2As2的电子状态变化相图。常压状态下,EuFe2As2在ToFe=190开尔文(零下83摄氏度)及更低温的ToEu=19开尔文(零下254摄氏度)的温度中,铁位点和铕(Eu)位点分别表现出磁秩序。施加静水压力后,ToEu基本没有变化,但ToFe急剧下降,在达到ToFe几乎消失的2.4万气压(PcL)以上时形成超导状态。研发小组为了调查铁位点及铕位点在压力诱发的超导状态中的磁性,实施了57Fe核及151Eu核的核共振前向散射实验。

图(b)是2.4万气压(PcL)以下常导状态中的EuFe2As2代表性57Fe核共振前向散射光谱。从图(b)可以看出,其强度随着时间的推移以短周期振动,这表示铁位点处于磁有序状态。

如图(c)所示,处于2.4万气压(PcL)以上3万气压(PcH)以下的57Fe核共振前向散射光谱的强度也在同样振动,由此可知,超导与铁位点的磁性共存。更有趣的是,核共振前向散射光谱的特征在常导和超导状态下有很大区别。具体来说,在常导状态下,90及150纳秒附近的振动波谷深且清晰,但在超导状态下则会变浅(参考图(b)及(c)的黑色箭头)。这表示,铁位点的磁有序状态(磁结构)在常导和超导中不同。详细分析结果如图(b)和(c)的插入图所示,可以看出,在常导状态下,铁位点的磁矩朝向晶体的特定方向,而在超导状态下,其方向会以特定周期变化。

另外,从图(d)的黑色箭头可以看出,即使同样处于2.4万气压(PcL)以上3万气压(PcH)以下的压力范围,在高温状态下,常导状态的57Fe核共振前向散射光谱的波谷变深,铁位点的磁矩方向再次回到特定方向。

此外,虽然没有用图来表示,但在151Eu核共振前向散射实验中,常导状态和超导状态都未观测到铕位点的磁性变化。因此可以认为,铕位点的磁性未参与铁位点的磁性变化。以上实验结果证明,此次新观测到的铁位点的磁矩方向以特定周期变化的磁有序状态,仅存在于温度和压力都处于超导状态的情况下,是一种非常特殊的磁相。

日本观测到铁基高温超导体中的磁性与超导共存现象

图:(a)EuFe2As2的压力相图及(b~d)各相的57Fe核共振前向散射光谱。图(a)中的蓝色表示出现超导的区域,图(b~d)中的红线表示分析结果,插入图表示各相的铁位点的磁矩方向。

文 客观日本编辑部

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