Ba122体系铁基超导体的红外光谱学研究

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铁基超导体是继上世纪80年代Bednorz和Müller发现的铜氧化合物超导体后的另一类高温超导体。它的发现不仅为寻找更高转变温度的超导体提供了一个全新的空间,并且可能有助于我们理解在铜氧化合物超导体中,一直未能解决的超导机理问题。与铜基超导体相比,铁基高温超导体有很多独特的性质。例如,其母体材料具有金属性,不同于铜氧化物高温超导中的Mott绝缘体。在铜基超导体中,只有载流子掺杂才能产生超导,而对于铁基超导体,不仅载流子掺杂可以产生超导,通过化学压力或者物理压力改变其晶格参数,同样可以产生超导。另外,铁基超导体是一个多带系统,其超导电性涉及多个费米面,完全不同于单带的铜基超导体。要解释铁基超导体这些丰富而又独特的物理性质,对于其载流子的激发和相关电荷动力学的深入研究是非常必要的。红外光谱是一种研宄关联电子材料电荷动力学性质的重要实验手段。在本论文中,我将介绍我们利用红外光谱手段对Ba122体系铁基超导体的光学性质所进行的系统研究。  我们测量了Ba1-xKxFe2As2和BaFe2(As1-xPx)2两个体系的铁基超导体的光电导谱。在最佳掺杂样品Ba0.63K0.37Fe2As2和BaFe2(As0.7P0.3)2中,我们发现它们具有明显的多带特征,不同带中的载流子的散射速率存在显著不同,并且表现出极其不同的温度依赖。其中散射速率较小的窄Drude带统治了正常态低频光电导,而且其散射速率行为表现为线性温度依赖。通过与铜基超导体等材料的对比分析,我们得出载流子的线性散射速率行为可能与超导相区内的反铁磁量子临界点引起的自旋涨落散射相关。在超导态,Ba0.63K0.37Fe2As2和BaFe2(As0.7P0.3)2有明显不同的低频响应,Ba0.63K0.37Fe2As2表现为一个无节点的s波超导能隙特征,而BaFe2(As0.7P0.3)2中存在大量的未配对准粒子,表现为有节点存在的超导能隙特征。因此,尽管这两种材料具有非常类似的相图和接近的最高Tc,但是两者的超导能隙对称性可能是不统一的。  在Ba1-xKxFe2As2或BaFe2(As1-xPx)2中,随着K或P掺杂的引入,自由载流子对应的Drude项谱重都是增加的。这也意味着材料中的载流子浓度或有效质量随掺杂发生了变化。随着自旋密度波(SDW)态的形成,SDW能隙严重压制了低频光电导率,并且这种压制作用随着掺杂的增加而减弱。母体BaFe2As2在SDW态存在大小两个能隙,在引入K或P掺杂后,其中小的能隙消失了,大的能隙随掺杂的增加都是往低频移动。但是在BaFe2(As1-xPx)2中SDW能隙对应的耦合强度随掺杂的增加是减小的,不同于Ba1-xKxFe2As2中的增加趋势。对Ba1-xKxFe2As2的超导态性质研究表明,在x=0.20~0.37的掺杂范围内,超导能隙具有一致的能隙结构对称性,为完全打开的s波超导能隙。并且超导能隙以及超流密度的大小随Tc增加而增加,耦合强度在x=0.20~0.37的掺杂范围增强的规律与Tc增加的规律也是一致的。但是超流密度和穿透深度在x=0.16掺杂附近存在异常,暗示着掺杂浓度在x=0.16上下的超导体可能具有不同的性质。  对Ba1-xKxFe2As2和BaFe2(As1-xPx)2系列样品的系统谱重分析,发现光电导率的谱重转移存在两个能量尺度。一个是1200-1500 cm-1(150-190 meV),对应于Drude响应的谱重转移能量范围。另外一个是10000 cm-1(1.25 eV),对应为高频范围Hund耦合相关的谱重转移能量范围。并且这两个能量尺度对于所有的Ba122体系铁基超导体都是适用的。  我们研究了Ba122体系中不同掺杂铁基超导体的声子动力学性质。对于Co和P掺杂,声子频率发生硬化,声子强度略微减小。相反,K掺杂引起声子软化,强度明显增强,而且这样的变化不能完全由晶格参数的改变来解释。它的起源可能与K掺杂中特殊的FeAs4四面体结构或自旋-声子耦合相关。  最后,我们研究了Rb0.8Fe1.68Se2铁基超导体的光学性质。与前面Ba122体系相比,Rb0.8Fe1.68Se2的光电导率的值比较低,并且在远红外区域被一系列的红外活性声子所主导。随着温度的降低,声子逐渐硬化和变窄。同时低频光电导率表现出很弱的Drude型金属响应,表明这个材料的载流子浓度很低。特别是频率在200 cm-1附近的声子在低温时表现出很强的非对称效应,表明在这个体系中存在比较强的电声耦合相互作用。这样的电声耦合相互作用对这个体系中超导电性的出现可能会起到某些作用。  
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