費米面拓撲結(jié)構(gòu)及其與磁性的相互關(guān)聯(lián)，被認為是理解鐵基高溫超導(dǎo)機理的關(guān)鍵。大多數(shù)FeAs基高溫超導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)包含位于布里淵區(qū)中心的空穴型費米面和位于布里淵區(qū)頂角的電子型費米面，因此，空穴和電子費米面之間的散射被普遍認為是鐵基超導(dǎo)電子配對的重要機制。但是，在FeSe基高溫超體系中，包括AxFe2-ySe2 (A=K,Cs,Rb,Tl)、(Li1-xFex)OHFeSe、單層FeSe/SrTiO3薄膜等只有電子型費米面，沒有空穴型費米面，這使得費米面嵌套機制不再適用。FeAs基和FeSe基高溫超導(dǎo)體系不同的費米面拓撲結(jié)構(gòu)，是對統(tǒng)一理論框架下理解鐵基高溫超導(dǎo)機制很大的挑戰(zhàn)。

不同于堿金屬插層或者生長單層膜等對FeSe進行電子摻雜的手段，施加物理高壓原則上沒有引入額外的電荷載流子，但是也可以實現(xiàn)接近40K的高溫超導(dǎo)電性。最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)極端條件物理實驗室EX6組研究員程金光與研究生孫建平、葉光洲、博士后Prashant Shahi等，與國內(nèi)外多個課題組合作，采用在物理所搭建的國內(nèi)第一套立方六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置(可同時實現(xiàn)15GPa靜水壓、1.5K最低溫和9T磁場)，通過詳細的高壓下電阻率測試，繪制了FeSe單晶完整的溫度-壓力相圖【Nature Communications 7, 12146 (2016)】，揭示出高溫超導(dǎo)相恰好出現(xiàn)在長程磁有序消失的臨界點附近，與FeAs基高溫超導(dǎo)體系類似。為了進一步揭示其高溫超導(dǎo)的機制，高壓下的電子結(jié)構(gòu)信息至關(guān)重要。然而，高壓下無法開展角分辨光電子能譜測量，而量子振蕩測量也非常困難。為了克服這一難點，最近他們詳細研究了FeSe單晶高壓下的霍爾效應(yīng)，首次獲得了FeSe單晶高壓下的電子結(jié)構(gòu)信息。

如圖1 所示，當(dāng)P<2GPa時，費米面在四方-正交結(jié)構(gòu)相變(電子向列序)溫度Ts處存在明顯重構(gòu)，造成低溫正常態(tài)的電輸運性質(zhì)由電子型載流子主導(dǎo)，與常壓下的角分辨光電子能譜、量子振蕩測量等給出的結(jié)果一致。當(dāng)P>2GPa時，長程磁有序出現(xiàn)，此時正常態(tài)的電輸運性質(zhì)變成由空穴型載流子主導(dǎo)(詳細數(shù)據(jù)見圖2和圖3)，霍爾電阻在整個溫區(qū)都變?yōu)檎?。特別是在Pc = 6GPa附近，此時長程磁有序恰好消失而且超導(dǎo)Tc最高，霍爾系數(shù)呈現(xiàn)出顯著增強，提高了超過一個數(shù)量級。由于Pc附近正常態(tài)的順磁區(qū)不會出現(xiàn)載流子數(shù)目的顯著降低，因此，霍爾系數(shù)的增強主要歸因于反鐵磁臨界點附近自旋漲落的增強而造成的載流子遷移率降低。在重費米子體系的反鐵磁量子臨界點附近也觀察到類似現(xiàn)象。這一結(jié)果表明FeSe高壓下出現(xiàn)的高溫超導(dǎo)相與反鐵磁臨界漲落具有重要聯(lián)系。

FeSe單晶高壓下的電子相圖表明其高壓下具有空穴型主導(dǎo)的電荷載流子，即存在空穴型費米面，因此其費米面結(jié)構(gòu)與前面提到的其它FeSe基高溫超導(dǎo)體系截然不同。結(jié)合第一性原理計算，他們進一步證實高壓下存在電子型和空穴型費米面，因此支持費米面嵌套和電子-空穴散射機制，與FeAs基高溫超導(dǎo)體系非常類似。該工作對深入理解FeSe單晶的獨特性質(zhì)、統(tǒng)一理解FeSe和FeAs基高溫超導(dǎo)機理提供了重要實驗依據(jù)。

相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters 118,147004 (2017))。該工作得到國家自然科學(xué)基金委(11574377)、科技部(2014CB921500)、中科院B類先導(dǎo)專項(XDB07020100)和前沿重點項目(QYZDB-SSW-SLH013)的支持。參與該工作的合作者包括：美國橡樹嶺國家實驗室博士閻加強和B. C. Sales，日本東京大學(xué)教授Y. Uwatoko和T. Shibauchi研究組，美國密蘇里大學(xué)教授D. J. Singh和清華大學(xué)教授張廣銘。

圖1. FeSe單晶的溫度-壓力相圖和霍爾系數(shù)電子相圖。Ts：四方-正交結(jié)構(gòu)相變(電子向列序Nematic)轉(zhuǎn)變溫度;Tm：長程磁有序轉(zhuǎn)變溫度;Tc：超導(dǎo)(SC)轉(zhuǎn)變溫度。

圖2. FeSe單晶不同壓力、不同溫度下的霍爾電阻數(shù)據(jù)。

圖3. FeSe單晶在不用壓力下的電阻率和霍爾系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。