非常规超导体包括铜氧化物高温超导体、铁基超导体、重费米子超导体和部分有机超导体等,因其不能用传统的BCS超导理论所描述而得名,它们的微观机理至今是凝聚态物理中最具挑战性的难题之一。传统的超导机理仅考虑了电荷相互作用,即巡游电子与构成材料晶格的原子发生库仑相互作用,通过交换晶格振动的能量量子——声子而发生两两配对,最终相干凝聚成超导宏观量子态。
而在非常规超导体中,自旋相互作用显得尤为重要,不仅超导电性往往起源于对母体中静态反铁磁序的抑制,而且在进入超导态之后,自旋体系动态上会与超导态发生“共振”——在特定的能量和动量处形成一个集体自旋激发模,可以被中子散射直接观测到,称为“中子自旋共振模”。该共振模在非常规超导体中普遍存在,预示自旋涨落很可能是配对的媒介。然而,自旋涨落究竟如何参与电子配对,它们在过程中是否存在特殊的“偏好”?
这是非常规超导机理的核心问题。铁基超导体的庞大家族成员、多能带电子结构和磁结构的多样性给非常规超导机理的研究带来了良好契机,特别是铁离子的局域磁矩与费米面附近的巡游电子之间的强烈耦合效应蕴含着丰富的物理。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC8组的李世亮、罗会仟团队多年来一直坚持利用非弹性中子散射研究铁基超导体的自旋动力学,特别是在铁基超导体的中子自旋共振模方面取得一系列前沿进展。这些研究深入揭示了铁基超导与其他非常规超导电性的异同,为建立统一的非常规超导微观机理奠定了基础。最近该团队在铁基超导自旋涨落研究方面又取得重要进展,确立了超导态下自旋涨落的普遍择优取向。
无论铁基超导体磁性基态是何种构型,在进入超导态之后的自旋共振模中,均具备c方向优先的普遍特征。该研究还意味着,铁基超导中电子配对可能有轨道选择倾向,如c方向择优的自旋涨落来自某些特定电子轨道与局域自旋的强烈耦合,在远高于超导和磁相变温度之上就已存在,进入超导态之后会被迅速增强。
上述研究工作已于2022年3月31日以“Preferred spin excitations in the bilayer iron-based superconductor CaK(Fe0.96Ni0.04)4As4 with spin-vortex crystal order”为题发表在Physical Review Letters,并被期刊编辑选为Editors’ Suggestion。