物理所合作在铁基高温超导体系研究中取得进展

　　铁基超导家族中的两个亚族，分别以结构类似的 FeSe4 和 FeAs4 四面体层作为各自的超导基元。然而典型的 FeSe 基超导体 AyFe2-xSe2（A=碱金属离子）母体相和正常态的实验表现，却与 FeAs 基体系迥异，导致质疑这两大铁基体系的高温超导电性是否有共同物理起源。澄清这一问题对探讨各类高温超导体物理机制意义重大。但实验上困难在于，在 AyFe2-xSe2 中反铁磁绝缘 245 相往往与超导相共生，以致妨碍对本征物性的观测。2014年 FeSe 基新高温超导体 Li0.8Fe0.2OHFeSe 报道后，相关实验研究出现转机。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）超导国家重点实验室 SC4 组的研究员董晓莉，与 SC2 组金魁及清华大学教授张广铭合作，在新高温超导体系 Li1-xFexOHFe1-ySe 研究中取得新进展。

　　基于水热合成的一系列粉末样品，首次建立的高 TC 体系 Li1-xFexOHFe1-ySe 完整相图表明，无论是反铁磁 SDW 相区还是超导相区，其物性特征均与 FeAs 基体系极为相像。实验结果揭示 FeSe 基和 FeAs 基高温超导体实际上具有相似的电子相互作用背景，因此它们的高温超导电性具有共同物理机制。相关结果发表在 JACS 137, 66(2015)。

　　成功应用离子交换技术，首次合成大尺寸、高质量 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se 超导单晶（TC = 42 K，尺寸大于 10 mm），且该材料不存在困扰实验观测的 245 相。单晶样品的突破使揭示其高度二维本征电子性质成为可能。实验发现，在特征温度 T* (=120 K) 之下的正常态，呈现反常的磁化及电阻的线性温度依赖以及高度二维的电子输运；在超导态，上临界场具有强各向异性。Hall 系数显示电子型载流子主导电荷输运，空穴型载流子的贡献在 T* 以下极度减弱。实验表明其超导电子配对很可能与二维反铁磁自旋涨落相关。类似的反铁磁涨落特征也常见于 FeAs 基和铜氧化物高温超导体。对比不同类型 FeSe 基超导体，可见超导临界温度越高的体系其晶体和电子结构的二维性越强；尤其是高 TC 和高度二维的 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se 单晶极其相似于 SrTiO3 衬底上 FeSe 单层膜界面超导体 (TC 高达 ~65 K)。因此，二维电子相互作用对于高温超导电性至关重要。相关结果作为 Editors’ Suggestion 发表在 PRB 92, 064515 (2015)。

　　上述工作主要合作者还有：赵忠贤、周放(SC4组)和袁洁(SC2组) ；承担相关实验的SC4组博士生有：周花雪、苑冬娜、黄裕龙和毛义元；负责相关物性测定的合作者有：A06 组研究员杨槐馨（电镜）、北京大学研究员孙俊良（单晶结构精修）和EX1 组副研究员郑萍（高温磁性）。上述工作得到国家自然科学基金委、科技部相关项目和中国科学院B类先导项目的资助。

　　近期已发表的相关文章：Dong, X.L. et al., J. Am. Chem.Soc.137, 66(2015)； Dong, X.L. et al., Physical Review B 92, 064515 (2015) (Editors’ Suggestion)。

图1. Li1-xFexOHFe1-ySe 体系相图及微结构特征

图2. 经水热离子交换反应后，K2Fe4Se5 (245相) 绝缘母体晶体衍变生成 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se超导单晶，晶体结构特征相应变化。

图3. (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98S超导单晶电阻、霍尔系数和磁化率的温度依赖关系，呈现一个共同的特征温度T*=120 K。