于偉強、雷和暢、俞榕 研究組 供稿?

對鐵硒塊材(FeSe)、插層鐵硒以及單層鐵硒薄膜等鐵硒基高溫超導(dǎo)材料的物性研究成為當前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的前沿?zé)狳c之一。其中，鐵硒塊材表現(xiàn)出不同于多數(shù)鐵砷基高溫超導(dǎo)材料的向列序、磁學(xué)和超導(dǎo)現(xiàn)象。鐵砷基材料中向列序往往伴隨著條紋狀磁有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，而FeSe塊材有高達90K的向列序（結(jié)構(gòu)）相變以及8K左右的超導(dǎo)相變，卻沒有任何磁有序的跡象。而壓力下的研究表明該材料的向列序被壓制，繼而形成了反鐵磁序和轉(zhuǎn)變溫度高達38K的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。這種非常奇特的向列序、反鐵磁、和超導(dǎo)之間的關(guān)系被認為是理解鐵基高溫超導(dǎo)機理的關(guān)鍵。而其中一個核心問題，即壓力誘導(dǎo)的鐵硒塊材的磁結(jié)構(gòu)，卻一直沒有直接的實驗測定。

最近，中國人民大學(xué)物理系的于偉強教授、雷和暢副教授和俞榕教授三個課題組對該問題進行聯(lián)合攻關(guān)，生長了高質(zhì)量FeSe單晶，開展了最低溫至50 mK的高壓核磁共振研究，并結(jié)合理論的理解，最終測定該材料的高壓磁結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)高壓下向列序和磁有序相互伴隨發(fā)生一級相變，成功解決了當前該材料研究中所面臨的多項困惑。目前該項工作成果已經(jīng)在國際物理學(xué)界權(quán)威的專業(yè)期刊之一《物理評論快報》上發(fā)表。

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該團隊使用氣相輸運和助熔劑結(jié)合的方法合成出核磁共振譜線非常窄的高質(zhì)量單晶，并使用2015年成功搭建的稀釋制冷核磁共振譜儀系統(tǒng)，通過提高均勻壓力環(huán)境，成功探測到高壓下不同溫度和磁場條件下的核磁共振譜。通過核磁共振譜和自旋晶格弛豫率的分析，得到的重要結(jié)果可以通過右側(cè)相圖描述：

1）首先確認FeSe在高壓下形成和鐵砷基相似的條紋型反鐵磁結(jié)構(gòu)(S-AFM)。但區(qū)別于其它大多數(shù)鐵砷基材料，該材料的磁有序可能存在一個沿晶體c軸的分量。

2）發(fā)現(xiàn)四方結(jié)構(gòu)（Tetragonal）到正交結(jié)構(gòu)相變（Otrhorhombic）標示的向列序相變溫度TS先隨壓強下降，然后又伴隨磁相變上升；

3）雖然交流磁化率發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（TC）隨壓強上升，但核磁共振沒有發(fā)現(xiàn)體超導(dǎo)以及超導(dǎo)和磁性共存的特征，表明超導(dǎo)和磁有序的強烈競爭。。

這些結(jié)果表明電子向列序和磁有序在強烈耦合；同時條紋磁有序的存在表明該材料中短程自旋阻挫的磁相互作用仍然是決定該材料磁學(xué)性質(zhì)的主要因素，這對于理解高壓誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)機理也有重要啟示意義。這項工作不僅闡明了FeSe材料中磁性、電子向列相和超導(dǎo)之間的關(guān)聯(lián)，并把FeSe和其他鐵砷基材料重新統(tǒng)一起來，為尋找普適的高溫超導(dǎo)機理提供了重要依據(jù)。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、中央高校研究基金以及中國人民大學(xué)研究基金的支持。

論文信息：

??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.