物理所在铁基超导体中发现新型量子临界现象

通过调节外界物理参量（如压力，磁场，掺杂等）往往可以把物质体系的有序态完全抑制。在物质的序参量对应于外界参量的相图中，零温下序参量被完全抑制的位置（点）称为量子临界点。量子临界点的存在会影响物质的有限温度的性质，并导致新物态的出现。

最近，中科院物理研究所/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发现，电子参杂铁基超导体BaFe_2-xNi_xAs₂中存在两个量子临界点。一个在x_c1=0.10处，另一个在x_c2=0.14处。通过核磁共振和输运测量，他们发现x_c1是磁量子临界点，而x_c2是向列序（Nematic）量子临界点。他们的研究结果显示，铁基超导体的高温超导现象是与量子临界性密切相关的。

在这个工作中，博士研究生周睿等人发现在两个临界点处正常态的电阻率与温度成线性关系（见图1中的黄色部分），说明在这两点附近，系统不能用传统的费米理论描述。接着他们利用核磁共振法分别研究了这两个临界点的性质，发现x_c1是磁量子临界点。依据是尼尔（Neel）温度TN和由自旋晶格弛豫率1/T₁（图2）得到的外斯温度θ都等于零， 且在欠掺杂区域超导与反铁磁微观共存。从图2可以清晰得看到，在x_c1=0.10附近，1/T₁在Tc之上几乎不随温度变化，这是因为交替磁化率发散性地增长引起的，是磁量子临界的重要特征（即θ=0）。在x_c1=0.10样品观察到的电阻率与温度的线性关系是由量子临界涨落引起的。

他们进一步利用75As的核磁共振谱研究这个体系的结构相变。向列结构相变（四方相向正交相的转变）后a轴和b轴的长度不一样，导致a轴和b轴方向的电场梯度不同。所以孪晶样品的核磁共振谱的卫星峰产生了劈裂（图3）。结果显示，这种相变一直延续到x=0.12，且转变温度Ts小于超导转变温度（Tc）。值得指出的是，在超导dome里发现其他相变尚属首例。这种结构相变到x=0.14才消失。综合Ts的参杂变化及电阻率的温度变化，研究组发现x_c2=0.14是向列量子临界点。这是一个新颖的量子临界点，其电阻率随温度的演变用现有的理论还无法解释。传统的理论预言，在结构相变的量子临界点附近，电阻率应当遵守T4/3的温度变化规律。研究组观察到的结构相变很可能是由电子向列序（如轨道有序）引起的，值得今后更加深入地研究。

研究组的成果表明，载流子参杂铁基超导体的机制与量子临界性有着密切的关系。特别是，在磁量子临界点Tc最高，说明自旋量子涨落对超导的产生起了直接的作用。这项成果对研究铁基高温超导体的微观机制提供了重要的线索。

该工作发表在Nature Communications【Nat. Commun. 4, 2265 (2013)】。
该研究工作得到了科技部“973”项目的支持。

图1 BaFe_2-xNi_xAs₂的相图。T_N是尼尔温度，T_s是向列转变温度，θ是一个衡量离量子临界点距离的参量。淡黄色表示该处电阻率与温度成线性关系。

图2 所有BaFe_2-xNi_xAs₂样品的1/T₁随温度的演变图。其中实线和虚线箭头分别表示了T_c和T_N。可以看到在x= 0.10处，1/T₁在T_c以上基本不随温度变化，说明这里是一个反铁磁量子临界点。

图3 (a)-(d)是x= 0.05-0.12的核磁共振谱卫星峰在T_s前后的变化。可以看到在T_s之下，卫星峰发生了明显的劈裂或者两峰向相反方向移动并展宽。(e) x= 0.14的卫星峰直到4.5 K都没有看到明显的变化，说明在这个样品里没有结构相变发生。