研究发现超导电性与磁性间共存现象

2011年，超导电性发现100周年的纪念活动在世界各地广泛地举行，并且，这是一个仍然蓬勃发展的研究领域。通过有效的国际合作，澳大利亚悉尼大学（University of Sydney），卧龙岗大学（University of Wollongong）和德国马克斯-普朗克研究所（Max-Planck Institute）的科学家们发现了超导体中超导电性与磁性之间的联系，该研究成果已经在6月15日出版的《物理评论快报》上发表: PHYSICAL REVIEW LETTERS, 106, 247002 (2011)。长期以来，材料的超导电性与磁性被认为是两个处于完全竞争状态的特性，该研究利用先进的原子探针断层扫描技术对样品进行微观分析，研究人员获得了铁基超导体样品中元素分布的三维分布图像，该图像显示了铁基超导体中超导电性与磁性共存的信息，其中，掺杂元素形成纳米尺度的团簇，通过对这些团簇进行的量子化分析揭示了该材料的独特性质：超导电性与磁性并不是完全相悖的，而是可以共存的。由于这种超导电性与磁性的共存和相互作用需要特定的条件，从而可以发展基于先进凝聚态物理学和超导材料的器件应用于纳米电子学，量子计算，以及高分辨率的磁测量系统。对于本研究中所用到的铁基超导体而言，掺杂原子的分布波动被认为是导致纳米级电子紊乱或其超导体相分离的本原因，然而，在本研究之前，还没有关于深入到原子尺度的关于其元素分布的报导。悉尼大学的年轻科学家W. K. Yeoh博士在S. P. Ringer教授和R. K. Zheng博士的指导下，利用原子探针断层扫描技术第一个直接观测到掺杂元素钾（K）所构成的团簇在122相铁基超导体(Ba1-xKx)Fe2As2中的分布，通过第一原理计算发现，在不同钾浓度的团簇中广泛存在静态磁性和超导电性，并且磁性和超导电性的存在范围与晶格常数接近。卧龙岗大学的李文献（W. X. Li）博士在王小林（X. L. Wang）教授以及窦士学（S. X. Dou）院士指导下在该基础上利用先进的物性测量设备对该超导体的临界超导转变温度进行了测量分析，通过对样品进行磁性测量，他们发现样品的超导转变温度约为32 K，但是通过细致的热熔测量，他们发现样品在32 K并未完全进入超导态，这个转变过程很长，一直持续到17 K左右，样品才完全进入超导态，这为掺杂元素对超导电性和相分离的影响提供了重要的直接证据，说明原子探针断层扫描测试和第一性原理计算所得到的结果真正揭示了元素分布对超导体的重要影响。该研究中用到的(Ba1-xKx)Fe2As2单晶体由德国马克斯-普朗克研究所的 C. T. Lin博士研究小组提供。窦士学院士评价该工作“是一个重要发现，科研人员第一次指出了在掺杂元素浓度波动的很大范围内磁性与超导电性是可以在晶格常数的尺度上共存，这为发展新的超导机理和寻找新的高温超导体指出了新方向”。卧龙岗大学长期以来引领了澳大利亚超导科学，超导材料与超导器件的发展，无论是早期的高温超导体YBCO，到近期的MgB2超导体还是2008年发现的铁基超导体，卧龙岗大学一直在澳大利亚研究委员会（Australia Research Council）以及工业合作伙伴的支持下进行先进超导体的研究与开发，一些重要发现也发表在《物理评论快报》，《先进材料》（Advanced Materials），《物理评论B》（Physical Review B）以及《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上。（来源：澳大利亚卧龙岗大学）