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压力调控下铁基超导体的磁与结构特性及超导机制研究

一、引言

1.1研究背景与意义

自2008年日本科学家发现LaFeAsO_{1-x}F_x铁基超导体以来，铁基超导体因其独特的物理性质和潜在的应用价值，迅速成为凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。铁基超导体打破了铜氧化物超导体在高温超导领域的长期垄断，其超导转变温度T_c可高达56K以上，为高温超导机理的研究开辟了新的方向。与传统的铜氧化物超导体相比，铁基超导体具有不同的晶体结构和电子结构，其超导机制不能简单地用传统的BCS理论来解释，这激发了科学家们对其进行深入研究的兴趣。

铁基超导体的母体通常具有反铁磁有序和特定的晶体结构，通过化学掺杂或施加外部压力等手段，可以抑制母体的反铁磁序，诱导出超导态。在这个过程中，磁性、结构与超导性之间存在着密切而复杂的相互关系。例如，在BaFe_2As_2体系中，母体在低温下呈现出四方-正交结构相变以及反铁磁有序，当通过化学掺杂引入载流子时，晶体结构相变往往先于磁有序发生；而在压力调控下，磁有序温度和晶体结构相变温度的关系与化学掺杂时截然不同，加压后磁有序温度高于晶体结构相变温度，且随着压力增加差别更为显著。这种复杂的相互作用蕴含着理解高温超导机理的关键信息，对揭示超导电子配对机制、探索新型超导材料具有重要意义。

压力作为一种纯净的外部调控参量，不引入杂质和无序，能够连续地改变材料的晶格常数、原子间距和电子云分布等，从而实现对材料物理性质的精细调控。在铁基超导体研究中，压力调控起到了至关重要的作用。一方面，压力可以诱导铁基超导体发生结构相变和磁相变，进而改变其超导性能。例如，在FeSe基超导体中，压力可以使材料经历多个结构相变和磁性转变，对超导转变温度和超导能隙产生显著影响。另一方面，压力可以帮助我们深入研究铁基超导体中磁性、结构与超导性之间的内在联系，为建立统一的高温超导理论提供实验依据。通过对比不同压力下材料的磁性、结构和超导特性的变化，能够更清晰地认识到这些因素之间的相互作用规律，从而为设计和制备具有更高超导转变温度和更好性能的超导材料提供理论指导。

从应用角度来看，超导材料具有零电阻和完全抗磁性等独特性质，在能源、交通、医疗、通信等众多领域展现出巨大的应用潜力。铁基超导体作为一类新型高温超导材料，若能通过压力调控等手段进一步提高其超导转变温度和临界电流密度，改善其材料性能，将有望加速超导技术的实际应用进程。例如，在超导磁体领域，铁基超导材料有望用于制造更高场强、更小型化的超导磁体，应用于核磁共振成像（MRI）、粒子加速器等设备中，提高设备性能和效率；在电力输送方面，利用铁基超导体的零电阻特性，可以大大降低输电损耗，实现高效的电力传输。因此，深入研究压力调控下铁基超导体的磁性和结构，对于推动超导材料的应用发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

自铁基超导体被发现以来，国内外众多科研团队围绕压力调控下铁基超导体的磁性和结构展开了广泛而深入的研究，取得了一系列重要成果。

在国外，美国、日本、德国等国家的科研团队在该领域处于领先地位。美国的研究团队利用先进的同步辐射X射线衍射技术和中子散射技术，对多种铁基超导体在压力下的结构相变和磁结构变化进行了细致研究。例如，对BaFe_2As_2体系，通过高压同步辐射实验精确测量了不同压力下晶格参数的变化，发现随着压力增加，晶格逐渐收缩，在特定压力范围内发生四方-正交结构相变，并且通过中子散射实验确定了磁有序的变化规律，揭示了磁有序与结构相变之间复杂的耦合关系。日本的科研人员则侧重于利用高分辨电子显微镜和角分辨光电子能谱等手段，研究压力对铁基超导体电子结构和磁性的微观影响机制。他们在FeSe基超导体的研究中，通过高分辨电子显微镜观察到压力诱导的原子结构重排，结合角分辨光电子能谱测量，分析了电子态密度的变化，为理解超导机制提供了微观层面的证据。德国的团队则在理论计算方面做出了重要贡献，运用第一性原理计算和多体理论方法，对压力调控下铁基超导体的磁性、结构和电子态进行理论模拟和预测，为实验研究提供了理论指导和方向。

在国内，中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学等科研机构和高校在压力调控铁基超导体研究领域也取得了丰硕的成果。中科院物理所的研究团队利用自主研发的高压实验装置，结合多种先进的表征技术，在铁基超导体的高压研究中取得了多项突破性进展。如前文所述，通过高压在位M?ssbauer谱和高压在位X光衍射相结合的技术，详细研究了BaFe_2As_2磁有序和晶体结构的演化，发现了与常压掺杂不同的磁有序和结构演化规律，为理解铁基超导物理机制提供了重要参考。北京大学的科研人员在FeSe基超导体的高压研究中，利用扫描隧道显微镜