于伟强教授、雷和畅副教授和俞榕教授课题组在铁硒超导的高压核磁共振研究方向取得重要进展

于伟强、雷和畅、俞榕 研究组 供稿 2016-12-08

对铁硒块材(FeSe)、插层铁硒以及单层铁硒薄膜等铁硒基高温超导材料的物性研究成为当前凝聚态物理领域的前沿热点之一。其中，铁硒块材表现出不同于多数铁砷基高温超导材料的向列序、磁学和超导现象。铁砷基材料中向列序往往伴随着条纹状磁有序结构的产生，而FeSe块材有高达90K的向列序（结构）相变以及8K左右的超导相变，却没有任何磁有序的迹象。而压力下的研究表明该材料的向列序被压制，继而形成了反铁磁序和转变温度高达38K的高温超导现象。这种非常奇特的向列序、反铁磁、和超导之间的关系被认为是理解铁基高温超导机理的关键。而其中一个核心问题，即压力诱导的铁硒块材的磁结构，却一直没有直接的实验测定。

最近，中国人民大学物理系的于伟强教授、雷和畅副教授和俞榕教授三个课题组对该问题进行联合攻关，生长了高质量FeSe单晶，开展了最低温至50 mK的高压核磁共振研究，并结合理论的理解，最终测定该材料的高压磁结构并发现高压下向列序和磁有序相互伴随发生一级相变，成功解决了当前该材料研究中所面临的多项困惑。目前该项工作成果已经在国际物理学界权威的专业期刊之一《物理评论快报》上发表。

该团队使用气相输运和助熔剂结合的方法合成出核磁共振谱线非常窄的高质量单晶，并使用2015年成功搭建的稀释制冷核磁共振谱仪系统，通过提高均匀压力环境，成功探测到高压下不同温度和磁场条件下的核磁共振谱。通过核磁共振谱和自旋晶格弛豫率的分析，得到的重要结果可以通过右侧相图描述：

1）首先确认FeSe在高压下形成和铁砷基相似的条纹型反铁磁结构(S-AFM)。但区别于其它大多数铁砷基材料，该材料的磁有序可能存在一个沿晶体c轴的分量。

2）发现四方结构（Tetragonal）到正交结构相变（Otrhorhombic）标示的向列序相变温度TS先随压强下降，然后又伴随磁相变上升；

3）虽然交流磁化率发现超导转变温度（TC）随压强上升，但核磁共振没有发现体超导以及超导和磁性共存的特征，表明超导和磁有序的强烈竞争。。

这些结果表明电子向列序和磁有序在强烈耦合；同时条纹磁有序的存在表明该材料中短程自旋阻挫的磁相互作用仍然是决定该材料磁学性质的主要因素，这对于理解高压诱导的高温超导机理也有重要启示意义。这项工作不仅阐明了FeSe材料中磁性、电子向列相和超导之间的关联，并把FeSe和其他铁砷基材料重新统一起来，为寻找普适的高温超导机理提供了重要依据。这项工作得到了国家自然科学基金、科技部、中央高校研究基金以及中国人民大学研究基金的支持。

论文信息：

　　P. S. Wang, S. S. Sun, Y. Cui, W. H. Song, T. R. Li, Rong Yu*, Hechang Lei*, and Weiqiang Yu*, Pressure Induced Stripe-Order Antiferromagnetism and First-Order Phase Transition in FeSe, Phys. Rev. Lett. 117, 237001 (2016),

　　http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.237001.