Science Bulletin│新型铁磁超导体AEuFe4As4(A=Rb,Cs)

超导电性与铁磁性是两种相互对立的物理现象: 超导体具有完全抗磁性, 而铁磁体则产生自发磁化, 两者很难共存。最近，浙江大学曹光旱课题组与许祝安课题组进行合作，报道了两种“孪生”新型磁性超导体AEuFe₄As₄(A=Rb,Cs)。其晶体结构可看成是由FeAs超导层、非磁Rb/Cs单原子层以及磁性Eu单原子层沿c轴的交替排列。实验测量表明, 这两种材料在35K左右显示出大块超导电性，当温度降至15K左右时，Eu²⁺离子自旋呈铁磁排列，在低温下实现超导与铁磁的共存。作者还在该体系中观察到另外一些相关的有趣现象。

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导电性与铁磁性是两种相互对立的物理现象。它们在宏观表现上具有不相容的磁性质：超导体在超导临界温度以下呈现完全抗磁性(低场下), 而铁磁体在居里温度以下则发生自发磁化，两者一般很难共存。尽管如此，寻求超导与铁磁共存的所谓铁磁超导体是超导领域科技工作者的长期(可追溯到20世纪50年代末)追求目标和研究动机之一。70年代后期以来，人们相继发现了一些“磁性超导体”，其中一些被看成是铁磁超导体的候选对象。然而，在这些体系中未能同时观察到大块超导(或称之为体超导)和完全铁磁排列现象。

2009年浙江大学曹光旱与许祝安课题组在铁基超导家族里发现一个特殊成员：掺磷的EuFe₂As₂可同时显示出超导与铁磁双重现象。

2014年该铁磁长程序被中子衍射实验所证实。然而，其大块超导电性特征还不够明显(例如，比热跳变很小)，且国际上对Eu²⁺离子自旋的具体排列方式亦有争论。

2016年在国家自然科学基金的支持下，曹光旱研究组对该课题进行了持续研究。他们最近成功地将Eu原子层部分地(每隔一层)替换为非磁的Rb或Cs原子层(图1c)，得到了两种孪生化合物AEuFe₄As₄(A=Rb,Cs)。正是在这两种材料中，他们同时观察到体超导和Eu²⁺离子自旋的完全铁磁性。

图1 (a) CsEuFe₄As₄样品的超导体积分数(由直流磁化率给出)的温度依赖关系。(b) CsEuFe₄As₄的比热随温度的变化。(c) (Rb/Cs)EuFe₄As₄的晶体结构。它可以看成是由Eu, FeAs, Rb/Cs和FeAs层沿c方向的交替堆积。(d) CsEuFe₄As₄的等温磁化曲线

       图1a，b显示了CsEuFe₄As₄样品的直流磁化率和比热的温度依赖关系。在15.5和35.2K可以看到两个明显的转变。一般地，低磁场下直流磁化率可定量给出其超导体积分数。图中可以看出，超导磁屏蔽分数(零场冷却数据)在最低温度下近乎达到100%。这说明样品的确具有大块超导电性(图1的比热跳变进一步证实该特性)。奇特的是，场冷磁化率在16K以下变为正值(不再具有抗磁性)。图1d所示的磁化曲线表明Eu²⁺离子自旋铁磁序的形成。值得注意的是，低温下超导电性依然存在。这可以从初始磁化曲线为负值以及高场下的磁化曲线不重合现象做出判断。该研究组还注意到另一个有趣现象：即在铁磁转变时无比热跳变，仅看到一个转折(其导数不连续)。该现象提示它是个罕见的三级热力学相变。       上述实验观察说明，预期的超导与铁磁的相互抑制作用在(Rb/Cs)EuFe₄As₄体系中可能因某种机制而得以避免或最小化。这可能对铁基超导电性的产生机理有一定的启发。另外，作者还初步考查了超导与铁磁是如何共存的这个重要问题。具体细节参见原文。本项目由国家自然科学基金(11474252, 90922002,11190023)和科技部973课题(2012CB821404)提供支持

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1. Yi Liu, Ya-Bin Liu, Qian Chen, Zhang-Tu Tang, Wen-He Jiao, Qian Tao, Zhu-An Xu, Guang-Han Cao. A new ferromagnetic superconductor: CsEuFe₄As₄”. Sci Bull, 2016, 61(15):1213-1220

http://link.springer.com/article/10.1007/s11434-016-1139-2

2. Yi Liu, Ya-Bin Liu, Zhang-Tu Tang, Hao Jiang, Zhi-Cheng Wang, Abduweli Ablimit, Wen-He Jiao, Qian Tao, Chun-Mu Feng, Zhu-An Xu, Guang-Han Cao. Superconductivity and ferromagnetism in hole-doped RbEuFe₄As₄. Phys Rev B, 2016, 93:214503

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.93.214503

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