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《物理评论X》发表李源课题组关于FeSe超导体中自旋轨道相互作用的非弹性中子散射研究

  超导电性是指许多材料在低温下电阻完全消失的一种物理现象。超导体因其零电阻和完全抗磁性等奇特的物性,在超导输电、超导量子干涉仪以及超导磁悬浮列车等方面具有广泛的应用。2008年铁基超导体的发现掀起了铁基超导研究的热潮。至今,铁基材料的高温超导机理仍然是一个悬而未决的重大理论问题,需要我们发展一套微观理论模型去解释这些材料中电子的普遍行为。从实验物理的角度出发,我们需要研究清楚这类理论模型中电子的电荷、自旋、轨道等自由度的地位及它们之间相互作用的影响。长期以来,大部分铁基超导理论都基于自旋和轨道自由度完全独立这一简化的假设。然而,量子材料科学中心的李源课题组最新的一项实验结果却对该理论假设提出了挑战。

  FeSe超导体是铁基超导家族中结构最简单的材料。李源课题组在自旋极化的非弹性中子散射实验中发现:无论是在超导态还是正常态(四方-正交的结构相变温度之下),FeSe中的低能量自旋激发是完全c方向极化的,即没有ab面内的分量。这一奇特的自旋激发各向异性表明:一是FeSe中自旋轨道相互作用很强;二是FeSe中的自旋轨道相互作用会显著地影响电子库珀对的形成。因而,发展一个成功的铁基超导微观理论,自旋轨道相互作用很可能是一项不可忽略的要素。

  本项研究工作揭示了铁基超导体中自旋轨道相互作用的重要影响,对建立铁基超导微观理论具有重要意义。该工作已发表在《物理评论X》(Physical Review X) 7, 021025。李源课题组的博士后马明伟是该文章的第一作者,理论分析方面的工作由量子材料科学中心的王垡研究员参与合作完成。上述研究得到国家自然科学基金以及国家重大科学研究计划的经费支持。

图一:FeSe中条纹反铁磁波矢附近的低能量自旋激发信号(测量温度:10 K)几乎全部沿c轴方向极化,该自旋空间的各向异性只能来自材料中显著的自旋轨道相互作用。