因對稱性破缺而出現的有序電子態是凝聚態物理研究中俯拾皆是的基本現象。類比于液晶中的向列相，物理學家提出在關聯電子材料中同樣可能存在類似的“電子向列相”，即由于電子相互作用，系統呈現出打破晶格固有的旋轉對稱性的電子態。在鐵基超導材料中，隨著溫度的降低，其母體大多將經歷從四重對稱的四方相到二重對稱的正交相的結構相變，并隨后發生從順磁態到共線型反鐵磁態的磁性相變。通過引入摻雜或壓力，結構相變和反鐵磁相變會逐漸被壓制，超導隨之出現，并且在結構和磁相變消失的臨界點附近達到最高的超導轉變溫度。目前，許多實驗研究揭示了鐵基超導體中電子態性質(如電阻、紅外光譜、軌道能級、楊氏模量等)有著顯著的鐵砷/鐵硒面內二重對稱特征，甚至持續到四重對稱的高溫四方相中，表明結構相變是由電子自由度而非晶格自由度驅動的，來源于旋轉對稱破缺的電子向列相。然而，向列型電子態相變的驅動力是軌道還是自旋自由度，仍有很大爭議，向列型電子態漲落與超導電性是否存在直接關聯也尚不清楚。認識清楚電子向列相的物理起源，對理解鐵基材料中的結構相變機理、磁性物理及高溫超導電性均至關重要。

　　最近，中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)SC8研究組在BaFe2-xNixAs2體系中電子向列相研究方面取得兩項進展。在向列相的自旋關聯研究中，他們利用中子散射驗證了理論所預言的自旋關聯長度各向異性。而在向列相的輸運研究中，他們通過電阻測量發現了不符合簡單伊辛模型描述的向列相臨界漲落，并表明該漲落與電子向列型量子臨界點直接相關。這些工作使研究人員更進一步理解了鐵基超導體中向列相的相關問題。

　　首先，研究組在向列相自旋關聯研究方面取得進展。如圖1所示，欠摻雜鐵基超導體BaFe2-xNixAs2低溫下的磁結構為鐵位有效磁矩沿a方向反鐵磁、b方向鐵磁排列，兩鐵原子層之間也是反鐵磁排列。因此，對于處于反鐵磁有序態的單疇晶體，其低能自旋漲落僅在反鐵磁波矢Q1=(±1, 0)附近出現，而在其90°對稱位置Q2=(0, ±1) 為零。一旦升溫進入高溫順磁態，自旋排列恢復各向同性，自旋漲落也同時在Q1和Q2兩個點存在且強度相同。理論上預言，如果電子向列相由自旋自由度驅動的話，那么即使在高溫四方相的順磁態(晶格和磁性均滿足四重對稱)，也將出現二重對稱的自旋漲落分布，即Q1=(±1, 0)點自旋激發強度將大于Q2=(0, ±1) 點，兩者差異隨溫度降低而顯著增大，同時，自旋關聯長度也將出現類似行為，體系將形成所謂的“自旋向列相”。這種自旋激發強度的各向異性已經在SC8組之前的中子散射實驗研究中被證實(Science 345, 657 (2014))。最近，他們進一步對自旋關聯長度的各向異性進行了研究。圖2給出了Q1=(1, 0, 1)和Q2=(0, 1, 1)在不同溫度下的磁激發峰，可以看出隨溫度二者之間的變化是不同的。通過峰寬，可以獲得自旋關聯長度。他們發現，在結構相變溫度之上，在峰強出現各向異性的同時（圖3a），關聯長度的各向異性也開始出現（圖3b）。在峰強與關聯長度各向異性之間存在著明顯的關聯，與自旋向列相理論預言符合的非常好（圖3c）。另外，通過上述數據計算的動力學磁化率隨溫度的變化關系可以用朗道相變理論來描述(圖3d)，說明其可以視為自旋向列相的序參量。該研究結果支持了自旋自由度作為電子向列相主要驅動力的圖像，并于最近發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters 117, 227003 (2016)）。

　　其次，研究組在電子向列相的量子漲落研究方面取得進展。由于電子向列相隨摻雜逐漸消失，因此有報道認為可能存在電子向列相的臨界點。但是在通過研究電阻隨應變變化來獲得向列相漲落時，并沒有看到在最佳摻雜附近存在著最強的漲落信號。為了更好地研究電子向列相漲落，他們獨立設計并搭建了一套基于壓電陶瓷片的單軸壓力裝置(圖4a)。壓電陶瓷片既可提供拉伸力(張力)，又可提供壓縮力(壓力)，因此通過連續改變陶瓷片電壓，可以讓被測量的晶體感受從正到負的單軸壓力(圖4b)，準確地獲得量子臨界區信息。當應力沿著四方相的(110)方向時，由于鐵砷面內二重對稱的電阻特性，在結構相變溫度之下可以獲得類似磁滯回線的電阻隨壓力變化曲線(圖4c)。當溫度升高至結構相變溫度之上時，電阻與壓力成線性關系，其斜率隨溫度上升而迅速變小。這一結果與之前其他方法測量結果是一致的，即在(110)方向能夠觀測到向列相的信號。然而，令人驚訝的是，在沿著四方相的(100)方向施加應力，同樣可以觀測到電阻隨壓力線性變化（圖4(d)），這與簡單的伊辛向列圖像是不符合的。之前的研究已經表明，(110)方向電阻隨線性壓力的依賴關系來源于向列相漲落。如果定義ζ為d(ΔR/R0)/dp，其中ΔR、R0和p分別為電阻變化、零壓電阻及壓強，在欠摻雜區域，ζ的溫度依賴關系類似于居里外斯定律，通過擬合可以獲得其平均場轉變溫度T’（圖5(a)）。而在過摻雜區域，則在Th處出現鼓包，表明該區域隨溫度降低而過渡到量子無序區（圖5(b)）。有意思的是，(100)方向的ζ也出現較強的摻雜依賴關系，且其在欠摻雜區域溫度依賴關系無法用居里外斯定律擬合（圖5(c)），而在過摻雜區域表現出和(110)方向類似的鼓包行為，二者之間成一定的倍數（圖5(d)）。圖6給出了BaFe2-xNixAs2體系的相圖，其中T’和Th相交在最佳摻雜處，表明存在著向列量子臨界點。而(100)方向的ζ信號在該量子臨界點處最強，強烈暗示該信號來源于費米面與向列相臨界漲落的耦合，這樣的量子臨界點及其臨界漲落行為不是簡單的伊辛模型能夠描述的。這一新的發現不僅拓寬了人們對鐵基超導體向列量子臨界漲落的理解，更對巡游電子體系中奇異量子臨界點的理論研究提供了新的事例，這一工作發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters 117, 157002 (2016)）。

　　上述研究工作由SC8研究組李世亮和羅會仟負責，其中向列相自旋關聯研究主要由博士生張汶良完成，向列相量子漲落研究工作主要由博士生劉曌玉完成。除了本組其他老師和學生的貢獻外，上述工作中的非彈性中子散射實驗與德國慕尼黑的Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) 研究所的J. T. Park合作完成，在理論方面與中科院物理所的孟子楊和楊義峰等開展了密切合作，中科院物理所的任聰、單磊、邱祥岡和美國Rice大學的戴鵬程、中國原子能科學研究院的郝麗杰等在測量和數據討論方面提供了很多幫助。

　　該系列研究工作得到了中科院B類先導、中科院青促會、科技部“973”項目、國家自然科學基金、國家青年千人計劃等項目的支持。

圖1. BaFe_2-xNi_xAs₂晶體結構、磁結構及自旋向列相

圖2. BaFe_2-xNi_xAs₂在Q=(1, 0, 1) 和 (0, 1, 1)處的磁激發分布。

圖3. BaFe_2-xNi_xAs₂在Q=(1, 0, 1) 和 (0, 1, 1)處自旋激發強度和自旋關聯長度的對比。

圖4. 基于壓電陶瓷技術的單軸壓力下BaFe_2-xNi_xAs₂電阻測量。

圖5. 單軸壓力下BaFe_2-xNi_xAs₂電阻測量給出的向列相漲落序參量。

圖6. BaFe_2-xNi_xAs₂中電子向列相漲落的相圖與量子臨界點。