鐵基磷族化合物超導體高壓研究獲進展

近年來，科學家們在新的鐵基超導體的探索和對其超導機理的研究方面取得了卓有成效的進步。Ca10(PtnAs8)(Fe2As2)5(n=3, 4)是一種新型的具有復雜結構的鐵基磷族化合物超導體，其晶體結構可描述為在CaFe2As2晶格中交替用PtnAs8中間層(被成為方鈷礦層)來置換Fe2As2層，即在一個晶胞中以Ca-PtnAs8-Ca-Fe2As2復雜的層狀形式堆垛而成。這類化合物有兩類不同的中間層，其相應的物理性能也明顯不同。當中間層為Pt3As8時，未摻雜的Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5化合物為反鐵磁半導體，用Pt部份替代其FeAs層中的Fe，可使其出現(xiàn)超導電性。當中間層為Pt4As8時，與大多數其它鐵基磷族超導體類似，在常壓下表現(xiàn)出金屬特性，并在26K溫度下出現(xiàn)超導電性。由于Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5化合物具有獨特的半導體特性的中間層使其在已有報導的鐵基超導體中占有特殊的地位。另外，其構成為電荷庫層和導電層，這使其可能會成為一種聯(lián)接銅氧化物和磷族鐵基超導體的理想化合物，為高溫超導體的研究提供了新的實驗體系。

為研究這種具有復雜結構化合物在高壓下可能表現(xiàn)出的豐富物理行為，中科院物理研究所超導國家重點實驗室趙忠賢院士團隊的孫力玲研究員和博士生高佩雯等與美國普林斯頓大學R.J.Cava 教授和N. Ni 博士合作，通過高壓原位電阻、交流磁化率、霍爾測量及同步輻射X射線結構分析等綜合實驗手段，對這類化合物進行了深入系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)壓力在有效抑制樣品中的反鐵磁長程序后，導致了超導電性的出現(xiàn)。獲得的溫度-壓力相圖清楚的顯示在3.5～7 GPa壓力范圍有一拱形的超導區(qū)域，其最高超導轉變溫度為8.5 K，出現(xiàn)在4.1 GPa處。高壓原位同步輻射結構分析結果表明，在本研究的壓力范圍內沒有結構相變的產生。對比溫度-壓力電子相圖和Fe位摻Pt的溫度-摻雜電子相圖，可以看出兩者之間有明顯的相似和不同。在4.1 GPa以內，壓力和電子摻雜對體系的反鐵磁轉變溫度、超導轉變溫度的影響十分相似，然而在更高壓力下，壓力對該系統(tǒng)的 TC隨壓力變化關系與電子摻雜的變化關系完全不同，表明兩種途徑誘發(fā)超導電性的直接起因不同。另外，這類化合物的電子相圖中不存在反鐵磁和超導共存的兩相區(qū)，這與其他已知的鐵基磷族化合物122型超導體不同。高壓原位霍爾測量結果表明，壓力導致電子從電荷庫層到鐵砷層的轉移，為實現(xiàn)超導電性提供了載流子。值得注意的是，摻雜和壓力下其載流子都為電子型的，對這兩類超導相圖的對比顯示在一定的壓力和摻雜范圍內其對反鐵磁的抑制和對超導電性的誘發(fā)作用是類似的，但在更高的壓力和摻雜比例下則完全不同。這些實驗結果為進一步深入開展對鐵基超導體的實驗和理論研究提供了重要的信息。相關研究結果發(fā)表在近期《先進材料》雜志上(Advanced Materials，2014，26：2 346-2 351)。