铁基超导向列涨落研究和PLCCO单晶生长

发布时间：2020-09-10 20:29

　　强关联电子体系中普遍出现的电子态旋转对称性由C_4到C_2的破缺意味着可能存在电子向列相。电子向列相的发现以及向列相量子临界点的确认对于理解高温超导相图具有重要意义。本论文着重研究电子型掺杂铁基超导体的正常态四方相中向列涨落随温度和掺杂的演化关系,以及向列涨落与超导的关联性。为了测量弹性电阻响应所表征的向列涨落,我自主设计了基于压电陶瓷弯曲片的紧凑型原位单轴压力装置。该装置提高了测量精度,广泛用于毫米级样品的单轴压力弹性电阻测量。本论文在引言部分简单介绍了铜氧化物和铁基高温超导体的晶体结构、相图等,对向列相的起源和超导配对机制做了讨论。最后概述了量子相变的基本概念。论文包括以下内容:(1)第二章介绍了铁基超导体BaFe_(2-x)Ni_xAs_2的单晶生长。对基于压电陶瓷弯曲片设计的原位单轴压力装置进行了详述。通过对比其他压电陶瓷材料类的原位单轴压力装置,阐述了此装置的设计思路、样品安装方法、测量精度等方面的优缺点,分析了可能影响测量的因素,并提出改进方法。(2)利用该装置,系统地研究了电子型掺杂铁基超导体BaFe_(2-x)Ni_xAs_2体系中的向列涨落随掺杂的演化关系。测量单轴压力沿四方[110]方向电子态向列极化率ζ_((110))=d(?R/R_0)/dp随温度变化关系。欠掺杂区向列极化率随温度遵循居里外斯型函数:ζ_((110))=A/(T-T~′)+y_0。平均场向列相变温度T~′随掺杂增多被逐渐压制,在最佳掺杂附近T~′变负,暗示可能存在向列量子临界点。这个结果支持了之前的弹性电阻测量工作。(3)由于我们的单轴压力装置提高了测量精度,所以首次观察到过掺杂区域向列涨落随温度变化关系为无序的鼓包形式。鼓包顶点温度T_h随掺杂增加而增加,我们认为鼓包温度可能与向列涨落和晶格弹性能耦合有关。由T_h随掺杂变化外延可以发现其相交于向列量子临界点,说明T_h表征了向列量子临界涨落过渡区的温度。通过T~′和T_h我们给出了量子临界涨落漏斗形区域,但仍无法解释欠掺杂区涨落信号最强。由以上结果,我们给出了目前为止掺杂范围最全的向列涨落掺杂的相图。表明掺杂到重过掺样品时向列涨落依然存在,超导相整体处于向列涨落的背景中,向列涨落对超导的形成机理具有非常重要的作用。(4)我们测量压力沿[100]方向时,令人惊讶的发现也存在与[110]方向同样的电阻变化。虽然强度要小很多,但是符号一致。通过详细测量ζ_((100))随温度和掺杂的变化关系,我们发现其在x=0.11掺杂样品中信号最强,正好对应可能存在的向列量子临界点,说明其与量子涨落相关。过掺杂信号也存在鼓包,其T_h与[110]方向结果基本一致。虽然欠掺杂区域样品信号存在上翘,可能来源于很强的[110]方向信号投影,但是其并不符合居里外斯行为。通过对比无反铁磁序的FeSe_(1-x)S_x样品的向列涨落我们认为,欠掺杂区的很强的向列涨落主要来源于条纹反铁磁序的热涨落,而[100]方向的信号才是真正表征了向列量子临界涨落。[100]和[110]方向过掺杂数据的零温外延也在靠近x_c=0.11时趋于发散,说明过掺杂的涨落行为具有量子属性。由此,我们第一次给出了向列量子临界涨落的相图:背景为ζ_((100))表征的向列量子临界涨落强度随掺杂变化,量子临界涨落的漏斗形区域由T~′和T_h给出的。这个违背伊辛型向列序模型的信号ζ_((100))很可能是与量子临界点附近向列涨落表现出各向同性有关。(5)我们紧接着详细研究了向列涨落与超导的关联。通过对过掺杂样品T_c随单轴压力变化关系的研究,我们发现T_c对单轴压力的响应可以分为各向同性的线性响应和各向异性的非线性响应。T_c(p)关系可以由公式:T_c(p)=T_c~0+Bp+Cp~2(1-Dp~2),拟合。系数B表征了超导对压力的各向同性响应,系数C包含了向列-超导关联。(6)通过对假定的向列量子临界点x=0.11附近样品的测量,我们发现T_c的响应具有样品依赖性。详细分析表明超导对单轴压力的各向同性响应系数B随向列相变温度T~′成线性关系,且在T~′=0所对应的量子临界点x=x_c处连续过零,发生变号。而反映各向异性响应的系数C则为基本不随T~′(或掺杂)变化的负值,说明向列和超导序参量之间存在竞争。这些结果与过掺杂测量一致。同时,根据理论描述,C的正负性很可能反映了体系超导的对称性,所以此研究方法非常适合探究其他体系中向列涨落与超导的关联及超导配对特征。(2-4)位于第三章,(5,6)位于第四章。另外,在第五章介绍了利用移行光学浮区法成功生长高质量过掺杂电子型铜基超导体Pr_(1-x)LaCe_xCuO_(4-δ)(PLCCO)单晶。讲解了制备方法,影响生长的因素,最后我们通过改进光学浮区炉光源生长出优质的单晶样品并做了简单的物性表征。第六章简单介绍了利用中子散射研究了过掺杂PLCCO中磁场诱导反铁磁序和低能自旋激发模的结果。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O511.3;O78

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