铁基铁磁超导体研究以及Ta_4Pd_3Te_(16)的超导电性

【摘要】超导电性和铁磁性作为微观量子多体物理的宏观体现,是凝聚态物质的两个量子基态。轨道机制和自旋单态超导体中的顺磁效应的存在使得二者之间具有天然的不相容性。然而,随着凝聚态物理理论和实验研究的发展,它们的共存现象被逐渐揭开,具有超导和铁磁共存现象的材料也被发现,并表现出了很多奇异的物理性质。同时,由于超导电性对于人类生产生活的重要意义,探索新型超导材料和揭示新型超导体库珀(Cooper)对配对机制一直是凝聚态物理研究领域最重要的方向之一。本文主要关注两个方面的研究：其一是以铁基超导家族中EuFe2As2为母体化合物,通过化学掺杂得到三种具有铁磁内场的超导体。其磁有序转变温度低于超导转变温度,因而被称作铁基铁磁超导体。S态的铁磁性Eu离子层的存在使得这一体系表现出铁磁和超导的相互作用。其二是我们所发现的新型层状超导体Ta4Pd3Te16。PdTe2链的存在赋予了此材料的准一维特性,考虑到低维体系中具有的丰富物理内涵,超导的出现也显得格外引人注意。具体来讲,本文的研究重点集中于三个铁磁铁基超导体和一个新的低维超导体：(1)通过在EuFe2As2中Fe位的同价元素Ru掺杂,获得铁磁铁基超导体Eu(Fe0.75Ru0.25)2As2单晶。我们研究发现了这一材料表现出少见的各向异性超导电性,并给出了铁磁和超导共存的证据。最后,我们也讨论了在Eu(Fe1-xRux)2As2中的磁有序和超导随掺杂比例的演化并给出了各向异性的相图；(2)通过Fe位电子型Ir掺杂,得到铁磁铁基超导体Eu(Fe0.88Ir0.12)2As2单晶。其Eu原子层在超导转变之下表现出磁矩的再转向过程,铁磁内场的存在使得超导迈斯纳态消失；(3)通过Fe位电子型Rh掺杂,得到铁磁铁基超导体Eu(Fe0.91Rh0.09)2As2单晶。低温下磁通穿透的证据意味着自发磁通涡旋态的存在,EuFe2As2体系中铁磁和超导共存方式给出了清晰的物理图像；(4)超导体Ta4Pd3Te16单晶的超导电性及其强关联电子特性。所取得的主要创新成果如下：(1)成功生长出Fe位Ru掺杂的Eu(Fe0.75Ru0.25)2As2单晶,它的ab面和c方向电阻都在23K时发生超导转变,所不同的是,c方向电阻在23K以下始终没有达到零电阻态。为了证明这一现象的确是材料的本征属性,我们进行了单晶磁测量,发现当外场沿c方向时,ab面形成超导屏蔽电流,出现抗磁信号,而当外场方向平行于ab面时,没有出现抗磁信号。联系到c方向电阻在超导转变后的非零现象,我们认为正是非零电阻导致屏蔽超流无法形成。低温下外场沿c方向的磁滞回线表现出有零电阻但非迈斯纳态的“理想导体”的特征,而且沿ab面的表现出一般的铁磁体行为,初始磁化曲线无任何抗磁信号出现,与磁化率结果一致,同时进一步证实了各向异性的超导电性,各向异性的磁通密度以及钉扎力可能是引起各向异性超导的原因。基于和不含Eu的相同结构的其他铁基超导体的明显区别,我们研究了Eu(Fe1-xRux)2As2完整的超导相图。在超导区间0.2≤x≤0.5内,仅在0.2≤x≤0.25区间内低温下ρab=0,整个超导区间c方向电阻始终没有达到零电阻态,进一步说明了各向异性超导在整个超导区间是广泛存在的。在超导消失的掺杂比例附近伴随出现c方向晶胞参数的突变,意味着晶格塌陷。我们同时对Eu层的磁有序随掺杂演化过程进行了分析。(2)通过改进利用常规溶液法晶体生长的具体步骤,我们成功生长出了Fe位Ir掺杂的Eu(Fe0.88Ir0.12)2As2单晶。电阻测量结果证实其超导转变在22K,通过外磁场沿ab面和c方向的磁阻测量,我们观察到各向异性参数γ=Hc2ab/}Hc2c在低温下大约为1.3,和其他铁基超导体类似。同样根据Ginzburg-Landau理论,这种各向异性对于层状超导体是正常的。然而,在20K附近上临界场表现出奇异的各向异性,即γ<1,我们认为这是和Eu的局域磁矩由于磁关联导致的磁矩转向过程相联系的。进一步的各向异性磁化率测量结果也证实了这一图像的合理性,即S态的Eu2+磁矩在20K附近首先沿ab面方向排列,在更低的温度下,磁矩发生了沿c方向的偏转。我们标定了三个特征温度,分别为超导转变温度ESC,Eu2+磁矩沿ab方向分布时的Tmab和沿c方向偏转时的Tmtilt。低场磁化率表明迈斯纳态在低温下是不存在的,因此Eu层的磁有序导致的铁磁分量使得体系处于混合态,表明了此材料为铁磁超导体。我们成功的将低温下沿c方向的磁滞回线分解出超导占主要因素的部分,证实了超导和铁磁共存。(3)成功生长出Fe位Rh掺杂的Eu(Fe0.91Rh0.09)2As2单晶。其超导转变温度为19.6K。在系统研究单晶的电学和磁学基本性质后,发现了在超导转变温度以下和Eu(Fe0.88Ir0.12)2As2基本相似的磁矩转向过程。此外,在磁有序温度Tm附近出现的电阻重入现象让我们联想到铁磁和超导共存方式之一的自发磁通涡旋或为引起此现象出现的根本原因。低温下的低场范围的磁滞回线表现出单晶处于混合态的特征,而且场冷模式下的磁化曲线在磁转变温度附近表现出升温测量高于低温测量的行为,这种磁滞效应被认为是在铁磁超导体中磁通钉扎效应引起的现象。为了进一步证明由于自发磁通涡旋(即磁通穿透)的存在造成单晶在低温下处于混合态,我们利用交流磁化率(χac)能反应磁通穿透所造成的磁滞效应这一优势,对单晶进行了交流磁化率研究,其结果证实了在低温下单晶处于混合态,从而和自发磁通涡旋作为此系统铁磁和超导共存的物理图像相一致。这里我们利用直流和交流磁化率的测量手段首次在铁磁铁基超导体中证实铁磁和超导共存方式-自发磁通涡旋。我们最后用示意图的方式描绘作为铁基铁磁超导体代表的Eu(Fe0.91Rh0.09)2As2中来源于Eu层的铁磁和来源于FeAs层的超导为何能够共存以及其共存的方式,将示意图的简单图像给出的上临界场相图和我们通过实验数据得到的上临界场相图对比,我们看到了很好的一致性,从而验证了我们对于铁基铁磁超导体中铁磁和超导相互作用方式的物理解释。(4)发现了新型超导体Ta4Pd3Te16,并成功生长出单晶样品。Ta4Pd3Te16是具有层状结构的新超导体,而且兼有准一维PdTe2链,准一维的链与链之间存在弱耦合形成层状晶面(-103)。其起始超导转变温度为4.62K,通过对其基本性质的研究发现,此超导体是典型的二类超导体。尽管超导比热跳变△C/(γTc)很接近弱耦合的BCS理论给出的值1.43,但比热数据拟合给出的较大的索末菲系数～42.8　mJ·K-2mol-1,以及低温下电阻曲线表现出的费米液体行为都意味着Ta4Pd3Te16存在着较强的电子之间相互作用。较大的Kadowaki-Woods系数(A/γ=0.211×10-5　μΩ·cm·mol2·K2·mJ-2)更是表明此材料属于强关联电子系统。因此,我们有理由相信在此准一维层状材料中可能出现非常规超导配对机制以及由于低维性导致的(自旋／电荷)密度波,相关问题值得进一步研究。
【作者】焦文鹤；
【导师】曹光旱；
【作者基本信息】浙江大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】铁磁超导体；铁磁铁基超导体；磁通穿透；自发磁通涡旋；晶体生长；强关联电子；

【参考文献】
[1]张敬奇.加工图理论研究与加工图技术的实现[D].东北大学,材料加工工程,2010,硕士.
[2]卢致伟.基于Web的高校毕业生就业信息管理系统设计与实现[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[3]姜广禹.长春市少儿足球兴趣培养的现状调查[D].东北师范大学,体育人文社会学,2012,硕士.
[4]戴国辉.建国初期河北省农业税收工作的政策与实践[D].河北师范大学,中国近现代史,2004,硕士.
[5]程斌.三次采油用石油磺酸钠的合成与分析[D].大连理工大学,化学工程,2004,硕士.
[6]龙飞.社会因素对用户参与SNS意愿影响的实证分析[D].浙江理工大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[7]朱晓敏.基于IP服务质量（QoS）的研究[D].辽宁工程技术大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[8]顾兴源,俞向罡.一类不确定离散时间系统的鲁棒控制[J].自动化学报,1992,01:102-106.
[9]王琳.基于经济增加值（EVA）的企业价值管理研究[D].东北财经大学,财务管理,2012,硕士.
[10]徐叶强.基于情感分类的产品评论垂直搜索引擎的研究[D].湖南工业大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[11]陈俊生.努力再攀高峰[J].石油地球物理勘探,1995,04:445-446.
[12]李祖光,方世强,魏国锋,张秉坚.无机添加剂对糯米灰浆性能影响及机理研究[J].建筑材料学报,2013,03:462-468.
[13]谢克让.缓激肽受体介导的NO信号通路在阿霉素心肌病中的作用[D].河北医科大学,药理学,2013,硕士.
[14]解东方.心血管病流行病调查中缺失数据填补方法的比较及模拟研究[D].北京协和医学院,流行病与卫生统计学,2014,博士.
[15]侯小娟.与小胸鳖甲抗冻蛋白（MpAFP149）相互作用的蛋白质的筛选及鉴定[D].新疆大学,生物学,2013,硕士.
[16]崔莉莎.论我国融资租赁监管及立法建议[D].华东政法大学,经济法学,2012,硕士.
[17]李邦云.电力变压器绕组在线监测新特征量的研究与工程实现[D].河海大学,2004.
[18]王恒洲.魔芋葡甘聚糖薄膜和海绵材料的制备及性能研究[D].武汉纺织大学,纺织化学与染整工程,2013,硕士.
[19]李树君,高源,孙贇,张先达.马铃薯淀粉分离用旋流管的性能研究[J].农业机械学报.2001(06)
[20]王伟.迟滞非线性系统的逆补偿与迭代学习控制[D].浙江理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[21]李文远.黄檗组织培养及其生物碱含量研究[D].河北科技大学,生物工程,2013,硕士.
[22]唐平玉.多路频分复用荧光共焦显微探测技术的研究[D].上海理工大学,光学工程,2013,硕士.
[23]胡晓阳.碳纳米管和石墨烯的制备及应用研究[D].郑州大学,2013.
[24]向衍,吴中如,傅志敏.数据挖掘技术在大坝安全决策支持系统中的应用[J].水力发电,2003,01:20-23.
[25]韦婧.山西省政策性担保公司运行效率评价研究[D].山西财经大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[26]赖丽燕,刘峥,李巍,周昱,黄红霞.基于3,5-二溴水杨醛席夫碱镍配合物-氧化石墨烯电化学免疫传感器检测Anti-IgG含量的研究[J].分析科学学报,2014,04:481-484.
[27]郭戈.歌剧《赵氏孤儿》程婴角色重塑[D].西安音乐学院,声乐表演,2014,硕士.
[28]罗雪艳.探析拉赫玛尼诺夫《第二钢琴奏鸣曲》[D].西南大学,音乐学,2014,硕士.
[29]卢昌义,叶勇,黄玉山,谭凤仪.海南岛东寨港红树林群落甲烷通量研究[J].植物生态学报,2000,01:87-90.
[30]王卿权.LNG动力船舶燃料罐火灾、爆炸事故后果数值研究[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[31]王炳.八钢连铸小方坯内部裂纹的研究[D].西安建筑科技大学,冶金工程,2004,硕士.
[32]叶荫.爱伦坡的短篇小说对哥特式小说的继承与发展[D].江苏科技大学,外国语言学与应用语言学,2014,硕士.
[33]陈福宇.从消费心理学的角度论商标翻译中的功能理论[D].四川师范大学,英语语言文学,2004,硕士.
[34]杨璐.电子商务对我国对外贸易的影响及对策研究[D].安徽大学,国际贸易学,2014,硕士.
[35]王世杰.基于期权理论的公司融投资分析[D].湘潭大学,政治经济学,2003,硕士.
[36]罗珍.论“纯粹”的美学意义[D].湖南师范大学,文艺学,2013,硕士.
[37]张国才.贯彻《决定》精神提高人员素质推进质量管理[J].质量与可靠性.2000(06)
[38]单进勇.非线性密码函数的构造和在编码学中的应用[D].湖北大学,基础数学,2012,硕士.
[39]杨春,殷绪成,郝红卫,闫琰,王志彬.基于差异性的分类器集成:有效性分析及优化集成[J].自动化学报,2014,04:660-674.
[40]闫俊.当代大学生道德知行统一问题研究[D].吉林财经大学,思想政治教育,2014,硕士.
[41]冀林博.H+HS及其同位素取代反应的分子动力学理论研究[D].西南交通大学,凝聚态物理,2014,硕士.
[42]赵文成.利拉鲁肽对2型糖尿病患者心血管危险因素作用的临床研究[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[43]陈一.ATHK1和GPA1基因在PEG诱导脯氨酸和脱落酸合成中的作用及光的影响[D].扬州大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[44]金永红.L-赖氨酸生产的氮源和生长因子替代与发酵条件优化[D].吉林大学,生物工程,2014,硕士.
[45]蔡烈斌,刘宗田,韩冬.序贯模式挖掘评述[J].计算机科学,2003,05:33-36.
[46]王璟.基于MPI和MySQL的并行数据库系统的研究与实现[D].中国科学院研究生院（软件研究所）,2004.
[47]马强,李琨,荣命哲,贾申利.开关设备在线监测系统级专用芯片的设计[J].电力系统自动化,2005,03:73-76.
[48]高昶.基于任务驱动的分层分组教学法在初中信息技术课中的应用[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[49]江莉.Rough Set和Vague set的理论及其相关应用[D].西安电子科技大学,应用数学,2004,硕士.
[50]张迪.聚乙二醇基复合相变材料的制备以及相变性能的研究[D].燕山大学,2014.