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铁基超导122体系极低温电、热输运性质研究

周诗韵  
【摘要】:1911年发现的超导现象引起了科学家们的极大兴趣。超导体电阻为零的特性,能使消耗在电阻上的大量能耗降低为零。如果能够得到室温超导,人们的生活将会彻底改变。一百年来,科学家们在超导领域里不懈努力,希望能够解决超导机制的理论解释和寻找室温超导这两大难题。BCS理论很好的解释了常规超导形成的机制,但同时给出了超导转变温度Tc的最高极限,这一预言让超导领域一度陷入低潮。1986年铜氧化物高温超导的发现,开启了高温超导研究的热潮,然而20年过去了,实验上对更高Tc材料的寻找进展缓慢,理论上也无法完全解释铜氧化物高温超导的原理,超导研究再一次陷入低潮。直到2008年初,Tc=26 K的La01-xFxFeAs高温超导体,以及其后一系列铁基超导材料的发现,引发了新一轮的高温超导研究热潮。 极低温电、热输运性质测量是一种有效的研究超导能隙和低能激发性质的工具。本论文首先简要介绍了研究动机和背景,包括铁基高温超导特别是122体系的近期研究现状,以及极低温电导率、热导率的测量理论和相关实验设备,然后介绍了利用电热导率测量方法在122体系的重度电子掺杂和极端空穴掺杂部分所取得的结果,主要如下: 1.我们测量了重度电子掺杂的BaFe1.7Co0.3As2(Tc=8.1 K)单晶ab面内的极低温热导率K,最低温度达到80 mK。在零场下,剩余线性项K0/T小到可以忽略,这表示在ab面内超导能隙不存在节点。在磁场下,K0/T随磁场增加得很快,这种异常的变化代表着BaFe1.7Co0.3As2具有奇特的超导能隙结构:M点的电子(γ和δ)pocket上的能隙比即将消失的空穴(β)pocket上的能隙小,但是具有更大的载流子密度。能带间配对超导理论指出,态密度小的能带会给出大的能隙。我们观察到的奇特能隙结构正是能带间配对超导理论的一个证据。 2.我们测量了极端空穴掺杂的KFe2As2 (Tc=3 K)单晶ab面内的极低温电阻率ρ和热导率K,温度低至50 mK。在KFe2As2的超导上临界场Hc2=5T处,电阻率表现为非费米液体行为p(T)~T1.5,随着磁场的继续增加,开始出现p(T)-T2的费米液体态。这表示磁场导致的量子临界点正好位于超导上临界场Hc2处。热导率上,零场下有较大的剩余线性项K0/T,且k0/T随磁场的变化和d波铜氧化物超导体相似。这表明KFe2As2的超导能隙具有节点,并具有类似d波的对称性。这样的超导性质应该是由量子临界点的反铁磁自旋涨落造成的。


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