薛其坤、陈曦课题组在KFeSe铁基超导体研究中取得新进展

2012年1月01日

薛其坤、陈曦课题组在KFeSe铁基超导体研究中取得新进展 2012-8-3

2010年末由中科院物理所陈小龙研究组发现的新型铁基硫族化合物超导体KxFe2-ySez引发了铁基超导新的研究热潮。该体系中超导相与反铁磁相以相分离形式存在这一观点逐渐获得多种实验手段证实,这澄清了该体系中围绕反铁磁、超导电性以及铁空位之间关联的诸多争议。然而,迄今为止,仍有以下两个重要问题亟待回答:第一,该体系中与超导相对应的母体相仍未被确认,而母体相的认识对高温超导体的机理研究至关重要。第二,中子散射等研究表明,在该体系中存在超导与磁的相互耦合,因此单独使用相分离观点无法对此做出完全的解释。

薛其坤院士和陈曦教授的研究团队,与中科院物理所马旭村研究员的研究组合作,在前期工作(Nature Physics 8, 126 (2012))的基础上,通过对材料生长的控制,基本上解决了上面提到的两个问题。基于在石墨烯衬底上使用分子束外延技术获得高质量KxFe2-ySez(110) 薄膜的经验,该研究团队在SrTiO3(001) 衬底上成功地制备出了自然解离面 (001)取向的高质量薄膜。原位的低温强磁场扫描隧道显微镜(STM)研究表明,这种新型超导体的母体为以√2×√2为周期的长程电荷调制的金属相KFe2Se2。从该母体出发,可以通过两种方式诱导超导电性发生:第一,通过反铁磁绝缘相K2Fe4Se5与母体相KFe2Se2连接的界面,在母体相KFe2Se2中诱导出新的电荷有序√2×√5相,并降低体系对称性,使得超导发生。该结果揭示了反铁磁与超导的密切关系:反铁磁绝缘相本身并非超导,但它却直接导致超导在母体相中产生。反铁磁相与超导相在介观尺度上的“伴生”关系,其实就是部分宏观实验手段得到的所谓超导与反铁磁的共存。第二,在纯的母体相KFe2Se2中,通过适量引入无序Se空位缺陷压制母体中的反铁磁长程序(magnetic dilution),使得超导发生。值得注意的是,这种方法提供了获得单一超导相的可能性。该成果以“KFe2Se2 is the Parent Compound of K-Doped Iron Selenide Superconductors” 为题发表在2012年8月3日的Physical Review Letters上(Phys. Rev. Lett. 109, 057003),文章的第一作者为2005级博士生李渭。

这项研究是美国普渡大学胡江平教授合作完成的,项目得到了国家自然科学基金委员会和科技部国家重大科学研究计划的资助。