【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶清華大學(xué)張定、南方科技大學(xué)薛其坤研究團(tuán)隊(duì)及合作者，借助SHMFF所屬水冷磁體WM5，通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了鋰插層鐵硒樣品中超導(dǎo)態(tài)與鐵磁態(tài)在創(chuàng)紀(jì)錄高溫條件下的穩(wěn)定共存。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
高溫超導(dǎo)電性與鐵磁性作為兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的物理現(xiàn)象，其在同一材料體系中的共存被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)新型量子功能器件的關(guān)鍵。張定和薛其坤研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)柵極調(diào)控對(duì)鐵硒(FeSe)薄膜進(jìn)行了鋰離子注入，發(fā)現(xiàn)該體系不僅具有超導(dǎo)溫度為45 K的高溫超導(dǎo)電性，而且具有顯著的巡游鐵磁性，其居里溫度超過(guò)225 K。通過(guò)電場(chǎng)控制，團(tuán)隊(duì)還可以在同一材料中實(shí)現(xiàn)無(wú)磁低溫超導(dǎo)態(tài)和高溫超導(dǎo)鐵磁態(tài)的來(lái)回切換。這一新型超導(dǎo)鐵磁材料的磁電阻和霍爾電阻在庫(kù)珀對(duì)凝聚過(guò)程中均展現(xiàn)出豐富的演化行為。
實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)不僅開(kāi)展了磁場(chǎng)條件下的電輸運(yùn)測(cè)量，還利用掃描超導(dǎo)量子干涉裝置對(duì)樣品進(jìn)行了高分辨率成像。結(jié)果表明，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，超導(dǎo)態(tài)與鐵磁態(tài)在空間上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定共存。此外，研究發(fā)現(xiàn)施加面內(nèi)磁場(chǎng)能夠增強(qiáng)體系的超導(dǎo)性。為了進(jìn)一步探究超導(dǎo)態(tài)在極強(qiáng)磁場(chǎng)下的行為，驗(yàn)證超導(dǎo)與鐵磁性的強(qiáng)相互作用機(jī)制，并揭示非常規(guī)超導(dǎo)配對(duì)的可能性，研究團(tuán)隊(duì)在SHMFF水冷磁體WM5中進(jìn)行了測(cè)量(最高測(cè)量至35 T)。在極強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，體系恢復(fù)至傳統(tǒng)的響應(yīng)行為。這種非單調(diào)的響應(yīng)暗示可能存在自旋極化的庫(kù)珀對(duì)，反映出鐵磁性與超導(dǎo)性的強(qiáng)耦合。值得注意的是，這種行為僅發(fā)生在±1.5°范圍內(nèi)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)中的角度控制精度提出了極高要求。研究團(tuán)隊(duì)在高場(chǎng)測(cè)量中使用的樣品桿配備了高精度角度調(diào)節(jié)裝置，能夠滿足對(duì)這一關(guān)鍵角度范圍的精準(zhǔn)控制需求。
此外，密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步指出，當(dāng)鋰摻雜濃度達(dá)到約50%時(shí)，體系呈現(xiàn)鐵磁態(tài)，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提供了有力的理論支持。
此項(xiàng)研究不僅對(duì)鐵基超導(dǎo)體的配對(duì)機(jī)制具有重要意義，也為高溫超導(dǎo)電子學(xué)與高溫鐵磁自旋電子學(xué)的融合開(kāi)辟了新途徑，進(jìn)而推動(dòng)低功耗器件的發(fā)展。
清華大學(xué)博士生胡祎、復(fù)旦大學(xué)博士生梁可一和南京大學(xué)博士生李婕為文章的共同第一作者，通訊作者為清華大學(xué)張定副教授、南方科技大學(xué)薛其坤教授、南京大學(xué)盧毅教授、復(fù)旦大學(xué)王熠華研究員。文章的合作者還包括中國(guó)人民大學(xué)雷和暢教授和博士生孟凡玉，復(fù)旦大學(xué)博士生李智杰、張若舟，清華大學(xué)博士生王霽遠(yuǎn)、溫匯楨，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心張警蕾研究員和碩士生蔡佳強(qiáng)。
圖1. 電場(chǎng)調(diào)控下鐵硒樣品在非磁性超導(dǎo)態(tài)與高溫超導(dǎo)鐵磁態(tài)間的可逆轉(zhuǎn)換
圖2. 在面內(nèi)磁場(chǎng)下增強(qiáng)的超導(dǎo)性與高場(chǎng)下輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果
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