层状磁性材料的磁性质研究(2)

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由于铜氧化物超导体临界温度远远超过了BCS理论预言的40 K的麦克米兰极限，人们习惯于称铜氧化物超导材料为“高温超导材料”。铜基超导体因其在非常规超导体中最为特殊，且具有非常重要的研究价值而受到了广泛的关注，并被认为是20世纪最伟大的发现之一。

2008年2月23日，日本西野秀雄研究小组报道了在氟掺杂的镧-铁-砷-氧体系中找到了临界温度为26K的新型超导材料—— LaO1−xFxFeAs。这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮。于是一个新的高温超导家族——铁基高温超导体出现在了人们的视野中。

铁基超导体具有更加丰富的物理性质和更具潜力的应用价值。它和铜基超导体的晶体结构、磁性结构和电子态相图均非常类似，但是从它得电子结构的角度来看，它又属于类似二硼化镁那样的多带超导体的物质；并且，铜基超导材料的母体具有绝缘性，而铁基超导材料的母体具有金属性，两者完全不同。铁基超导体的晶体结构与具有铜氧平面的高温超导体类似，所不同的是铁基超导体的超导性发生在铁基平面上，也属于二维的超导材料。因此尽管铁基超导体的临界温度一般只有并不显眼的数十K，科学家们还是可以通过研究铁基超导体来获得一些关于高温超导形成机制的信息。

针对铁基超导材料的磁性质，中国的研究机构也开展了一系列卓有成效的研究。2008 年3月初, 中国科学院物理研究所就合成了LaFeAsO0.9F0.1多晶样品, 并测量了它的基本物理性质; 3月中旬, 中国科学院物理研究所又成功合成出了第一种空穴掺杂型的铁基超导材料La1-xSrxFeAsO; 3月26日, 中国科学技术大学和中国科学院物理研究所共同发现了临界温度高于40K麦克米兰极限的超导体SmFeAsO1-xFx和CeO1-xFxFeAs; 3月29日, 中国科学院物理研究所发现，NdO0.85-F0.15FeAs和PrO0.85F0.15FeAs这两种样品的超导转变温度能达到50 K左右, 4 月中旬, 中国科学院物理研究所又利用高压合成技术合成了含有氧空位的SmFeAsO1-xFx和NdO1xFeAs,此类样品的超导转变温度最高能达到55 K。2008年6月,德国的Johrent 研究组合成了一种新型的铁基母体材料BaFe2As2,并且通过用K+ 离子替代Ba2+ 离子,使其转变为临界温度高达38K的(Ba1-xKx)Fe2As2超导材料.随后美国休斯顿大学通过往SrFe2As2中掺入K+ 或者Cs杂质,使其的超导临界温度转变为37 K。

目前发现的铁基超导体都具有相似的结构。铁基超导体都具有层状结构，其中Fe和另外一种氮族(P, As)或硫族(S, Se, Te)的元素按照1:1的原子比例构成了导电层，这两种元素在层内构成了一种正四面体的形状，而Fe则位于正四面体的中心,氮族(P, As)或硫族元素(S, Se, Te)位于正四面体的4 个顶点. 导电层像三明治一样被夹在两个载流子库层中间，其形状就像一个载流子传导的通道。载流子被限制在在导电层内，具有很强的二维特征，这造成了电子间强烈的相互作用。载流子库层不同使铁基超导材料的性质也不相同。根据组成材料的元素种类及原子配比，以及晶体结构的不同。新型铁基超导材料大致可以分为以下四大体系，（1）“1111”体系, 如果载流子库层由稀土元素和氧元素按原子比1:1 组成, 就形成了1111 型铁基超导体。成员包括LnOFePn(Ln=La, Ce, Pr, Nd，Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As)以及DvFeAsF (Dv =Ca, Sr)等; (2) “122”体系,如果载流子库层是一层碱土金属原子,就形成了122 型铁基超导体。成员包括AFe2As2 (A = Ba,Sr, K, Cs, Ca, Eu)等; (3) “111”体系, 导电层由两层碱金属原子隔开就形成了111 型铁基超导体。成员包括AFeAs(A = Li, Na)等; (4) “11”体系, 导电层直接堆叠到一起就形成11型铁基超导体。成员包括FeSe(Te)等。此外载流子库层还可以由更为复杂的结构组成.