科学家发现向列量子临界点及向列量子涨落导致电子有效质量增大

　　常规超导的机制是两个电子通过交换声子（晶格振动的量子）形成电子对（库珀对），这些电子对的凝聚导致超导态。原则上，其他类型的量子也可以起到类似声子的作用。例如，铜氧化物高温超导体中，有人认为两个电子通过交换顺磁振子（磁涨落的量子）可以实现非常规超导。

　　铁基高温超导体中除磁有序及磁涨落外，还存在另一种序：电子向列序。这是一种与液晶相似的性质，即电子向列态破缺晶体的旋转对称性。近来，电子向列序的涨落对物性（超导）的影响（作用）成为人们关心的一个重要科学问题。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郑国庆研究组（SC9组）的博士研究生王春光等人通过核磁共振测量发现，在NaFe1-xCoxAs的超导态下存在一个向列量子临界点（这里电子向列序消失），由此造成的量子涨落导致电子有效质量的增大。这个发现表明，电子向列序的涨落是一种新的量子，它与声子或顺磁振子一样，对物性有深刻的影响，有助于提高超导的转变温度。

　　在多数铁基高温超导体中，反铁磁和电子向列序的转变温度非常接近，由它们外推得出的量子临界点不可区分。几年前，该研究组的周睿（现中科院特聘研究员）等人在靳常青研究组（EX5组）合成的NaFe1-xCoxAs样品上进行核磁共振实验，证实了该体系中存在反铁磁序和伴随结构相变的向列序(Phys. Rev. B 93, 060502(R) (2016).)，并发现这是一个非常独特的体系。首先，不同于其他铁基超导体系，该体系的结构相变温度Ts与反铁磁相变温度TN在整个相图中一直相差很大。其次，该体系只需要2.7%的Co替代量就可以实现最高超导临界温度Tc，极大地减小了无序和杂质对量子临界现象的影响。因此，NaFe1-xCoxAs体系非常适合研究电子向列序的量子临界现象及它对超导的影响。但是，由于超导相的存在，探测T=0的量子临界点成为一个非常困难的课题。

　　最近，两个研究组通力合作，用核磁共振方法研究零温London穿透深度λL(0)随掺杂x的变化。磁场在超导体中形成三角形或四角形的磁通格子，导致超导体内部磁场分布不均匀，空间不均匀的程度取决于London穿透深度，而核磁共振的谱展宽是探测不均匀磁场分布的有力手段。

　　基于这个原理，研究团队发现λL(0)2在xM=0.027和xc=0.032处有两个非常尖锐的峰，如图1所示。通过测量自旋晶格弛豫率1/T1，他们发现由反铁磁自旋涨落导致的1/T1在低温下几乎不随温度变化（图2），这表明零温下交错磁化率发散性地增长，从而确认xM是反铁磁量子临界点。

　　xc是向列序消失的位置，核磁共振和喇曼光谱研究结果都表明，正常态存在很强的向列序涨落。研究团队还发现，电阻率在这个位置呈现线性温度关系，进一步证明了向列序量子涨落对物性的影响。λL(0)2是表征零温性质的物理量，与电子有效质量m*成正比。因此，xc处穿透深度出现的峰说明在该处存在一个向列序的量子临界点，量子临界涨落导致m*的急剧增强。

　　在反铁磁和向列序量子临界点不可区分的体系中，Tc随掺杂存在一个很明显的峰，其中心位于xM附近。而在NaFe1-xCoxAs体系中，即使远离xM，Tc也保持较高值且几乎不随掺杂变化，说明向列序的涨落可以增强超导配对。

　　这项研究首次提供了超导态下存在向列序量子临界点的确凿证据，为理解高温超导机理提供了新的线索。相关研究结果已经发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 121, 167004 (2018)）。

　　该工作得到国家自然科学基金（课题号11634015）、科技部（课题号2017YFA0302904， 2016YFA0300502）以及中科院先导B专项（XDB07000000）的支持。

    图1：(a)\(\lambda_{L}^{2}(0)\)随掺杂的变化，两个尖锐的峰表明电子有效质量在该处增大。(b) NaFe1-xCoxAs体系的相图。Ts为向列序转变温度，TN为反铁磁转变温度，Tc是超导转变温度。物理量θ是从1/T1得到的参量，用来衡量偏离磁量子临界点（θ= 0）的距离。

    图2：不同掺杂量样品中来自反铁磁涨落贡献的1/T1c随温度的变化。x = 0.027 样品在低温不随温度变化，表明其是反铁磁量子临界点。