物理學(xué)研究中把從高對稱(chēng)性到低對稱(chēng)性的變化稱(chēng)之為對稱(chēng)性破缺。例如四重對稱(chēng)(旋轉90°后重合)的正方形拉伸后成為二重對稱(chēng)(旋轉180°后重合)的長(cháng)方形。在凝聚態(tài)物質(zhì)中，材料的晶體結構和電子組態(tài)也將發(fā)生類(lèi)似的對稱(chēng)性破缺，從而形成新的結構形態(tài)或電子相，理解這些電子態(tài)的微觀(guān)起源一直以來(lái)都是凝聚態(tài)物理研究的核心課題。鐵基高溫超導材料母體結構在高溫下屬于四重對稱(chēng)的四方相(正方棱柱)，隨著(zhù)溫度的降低到Ts以下，其晶軸將沿著(zhù)a方向略微伸長(cháng)而發(fā)生結構相變，形成低溫下的二重對稱(chēng)正交相(長(cháng)方棱柱)，造成ab面內的結構對稱(chēng)性破缺。相應地，其自旋結構也將從高溫下無(wú)序的順磁態(tài)轉變?yōu)榈蜏叵掠行虻姆磋F磁態(tài)，其自旋排列沿a軸為反鐵磁(反向排列)，沿b軸為鐵磁(同向排列)，對應磁相變溫度為反鐵磁奈爾溫度TN(見(jiàn)圖1)。在退孿晶的鐵基超導單晶中，低溫下沿a方向的電阻要比b方向的電阻小得多，即面內電阻存在很強的二重對稱(chēng)性，這種電阻的各向異性度要遠大于晶格畸變帶來(lái)的差異，說(shuō)明其物理本質(zhì)來(lái)源于電子態(tài)自身。更重要的是，這種二重對稱(chēng)的電子態(tài)特征持續到了結構相變溫度Ts之上，在四重對稱(chēng)的四方相晶格結構中形成了電子態(tài)對稱(chēng)性破缺。這種保持平移對稱(chēng)而破壞旋轉對稱(chēng)的電子態(tài)被稱(chēng)為電子向列相，其微觀(guān)機理是理解高溫超導材料中復雜電子態(tài)相圖及新奇量子行為的基礎之一。盡管已有實(shí)驗從電荷的角度揭示鐵基超導材料中電子向列相從母體到最佳摻雜附近樣品均普遍存在，但其他實(shí)驗和理論表明從軌道的角度也同樣可以造成類(lèi)似的電子態(tài)對稱(chēng)性破缺。此外，一些實(shí)驗證據則表明雜質(zhì)散射造成的局域各向異性同樣可以出現類(lèi)似特征。因此，有關(guān)鐵基超導材料中電子向列相的物理起源仍然存在很大的爭議，從自旋的角度給出電子向列相的決定性證據也一直處于空白，許多物理機制仍待深入理解。

    最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗室(籌)超導國家重點(diǎn)實(shí)驗室的博士生魯興業(yè)、碩士生張睿、羅會(huì )仟副研究員、戴鵬程研究員等人利用非彈性中子散射實(shí)驗手段，首次從自旋角度針對電子型摻雜鐵基超導體BaFe2-xNixAs2中電子向列相問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。原則上，在未加偏置壓力的孿晶樣品中，其a方向和b方向將無(wú)法區分，兩類(lèi)具有90°對稱(chēng)的晶體疇區將在二重對稱(chēng)的低溫正交相下形成四重對稱(chēng)的低能自旋漲落(見(jiàn)圖2A)，和高溫四方相下的對稱(chēng)性完全相同(見(jiàn)圖2C)。因此，要從自旋角度揭示電子向列相的存在必須在退孿晶樣品上進(jìn)行測量。他們首先發(fā)展了一套適合中子散射實(shí)驗的退孿晶實(shí)驗裝置，通過(guò)在結構相變溫度Ts之上沿著(zhù)晶體b軸加偏置壓力，單晶樣品在Ts之下將保持單疇區形態(tài)，這構成了研究電子態(tài)平面內各向異性的技術(shù)基礎(見(jiàn)圖2D)。通過(guò)選取樣品和中子束流的相對位置，就可以研究?jì)蓚€(gè)位于四重對稱(chēng)位置的倒空間點(diǎn)Q=(1,0,1)(對應實(shí)空間a方向)和(0,1,1)(對應實(shí)空間b方向)處的低能自旋漲落。他們首先確認母體材料BaFe2As2在低溫正交相中低能磁激發(fā)僅存在于Q=(1,0,1)反鐵磁點(diǎn)，即是二重對稱(chēng)的(見(jiàn)圖2B)。隨著(zhù)溫度升到Ts=TN=138K之上，Q=(0,1,1)點(diǎn)的磁激發(fā)也開(kāi)始出現，但其強度要遠小于Q=(1,0,1)點(diǎn)，兩者的差異持續到了160K左右(見(jiàn)圖3)，遠遠高于結構相變溫度，這種自旋激發(fā)態(tài)的對稱(chēng)性破缺是自旋向列相的典型特征。接下來(lái)他們在欠摻雜樣品BaFe1.915Ni0.085As2(Ts=58K，TN=44K)中同樣觀(guān)測到了高溫四方相下具有二重對稱(chēng)性的自旋激發(fā)并發(fā)現其持續到了80K，說(shuō)明自旋向列相在欠摻雜樣品中也同樣存在。最后他們在不存在結構相變和磁相變的過(guò)摻雜樣品BaFe1.88Ni0.12As2(一直是四方相)中開(kāi)展了類(lèi)似的實(shí)驗，證實(shí)該樣品中自旋激發(fā)差異已經(jīng)完全消失，即自旋激發(fā)恢復了四重對稱(chēng)態(tài)。通過(guò)對比電阻各向異性的測量結果，他們發(fā)現自旋激發(fā)差異產(chǎn)生的溫度點(diǎn)和摻雜區間與電荷角度揭示的向列相結果高度一致(見(jiàn)圖4)，這說(shuō)明電輸運測量觀(guān)測到的電子向列相和中子散射觀(guān)測到的自旋向列相之間具有相同的物理起源。這一系列中子散射研究首次從自旋角度確證了電子向列相的存在，并為其微觀(guān)物理起源解釋提供了重要實(shí)驗依據，對理解高溫超導體中電子向列相乃至贗能隙的形成有重要參考意義。該項研究工作于2014年7月31日在美國的《科學(xué)》雜志上發(fā)表上述研究工作中的非彈性中子散射實(shí)驗與德國慕尼黑的HeinzMaier-LeibnitzZentrum(MLZ)研究所的J.T.Park博士合作完成，在理論方面與美國萊斯大學(xué)的斯其苗教授和A.H.Nevidomskyy教授開(kāi)展了密切合作。

    該研究工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學(xué)基金以及美國相關(guān)科學(xué)基金等項目的支持。

 

 

圖1.BaFe2-xNixAs2晶體結構及ab面內磁結構

 

 

圖2.零壓力和有限偏置壓力下BaFe2As2母體的磁激發(fā)分布，其中D為退孿晶實(shí)驗裝置

 

 

圖3.BaFe2As2母體低能自旋激發(fā)在Q=(1,0,1)和(0,1,1)處差異持續到160K并與電阻結果對應

 

 

圖4.自旋向列相與平面內各向異性電阻在相圖中的分布存在高度一致性