物理學研究中把從高對稱性到低對稱性的變化稱之為對稱性破缺。例如四重對稱（旋轉(zhuǎn)90°后重合）的正方形拉伸后成為二重對稱（旋轉(zhuǎn)180°后重合）的長方形。在凝聚態(tài)物質(zhì)中，材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子組態(tài)也將發(fā)生類似的對稱性破缺，從而形成新的結(jié)構(gòu)形態(tài)或電子相，理解這些電子態(tài)的微觀起源一直以來都是凝聚態(tài)物理研究的核心課題。鐵基高溫超導(dǎo)材料母體結(jié)構(gòu)在高溫下屬于四重對稱的四方相（正方棱柱），隨著溫度的降低到Ts以下，其晶軸將沿著a方向略微伸長而發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，形成低溫下的二重對稱正交相（長方棱柱），造成ab面內(nèi)的結(jié)構(gòu)對稱性破缺。相應(yīng)地，其自旋結(jié)構(gòu)也將從高溫下無序的順磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵掠行虻姆磋F磁態(tài)，其自旋排列沿a軸為反鐵磁（反向排列），沿b軸為鐵磁（同向排列），對應(yīng)磁相變溫度為反鐵磁奈爾溫度TN（見圖1）。在退孿晶的鐵基超導(dǎo)單晶中，低溫下沿a方向的電阻要比b方向的電阻小得多，即面內(nèi)電阻存在很強的二重對稱性，這種電阻的各向異性度要遠大于晶格畸變帶來的差異，說明其物理本質(zhì)來源于電子態(tài)自身。更重要的是，這種二重對稱的電子態(tài)特征持續(xù)到了結(jié)構(gòu)相變溫度Ts之上，在四重對稱的四方相晶格結(jié)構(gòu)中形成了電子態(tài)對稱性破缺。這種保持平移對稱而破壞旋轉(zhuǎn)對稱的電子態(tài)被稱為電子向列相，其微觀機理是理解高溫超導(dǎo)材料中復(fù)雜電子態(tài)相圖及新奇量子行為的基礎(chǔ)之一。盡管已有實驗從電荷的角度揭示鐵基超導(dǎo)材料中電子向列相從母體到最佳摻雜附近樣品均普遍存在，但其他實驗和理論表明從軌道的角度也同樣可以造成類似的電子態(tài)對稱性破缺。此外，一些實驗證據(jù)則表明雜質(zhì)散射造成的局域各向異性同樣可以出現(xiàn)類似特征。因此，有關(guān)鐵基超導(dǎo)材料中電子向列相的物理起源仍然存在很大的爭議，從自旋的角度給出電子向列相的決定性證據(jù)也一直處于空白，許多物理機制仍待深入理解。
最近，中國科學院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)超導(dǎo)國家重點實驗室的博士生魯興業(yè)、碩士生張睿、羅會仟副研究員、戴鵬程研究員等人利用非彈性中子散射實驗手段，首次從自旋角度針對電子型摻雜鐵基超導(dǎo)體BaFe2-xNixAs2中電子向列相問題開展了相關(guān)研究。原則上，在未加偏置壓力的孿晶樣品中，其a方向和b方向?qū)o法區(qū)分，兩類具有90°對稱的晶體疇區(qū)將在二重對稱的低溫正交相下形成四重對稱的低能自旋漲落（見圖2 A），和高溫四方相下的對稱性完全相同（見圖2 C）。因此，要從自旋角度揭示電子向列相的存在必須在退孿晶樣品上進行測量。他們首先發(fā)展了一套適合中子散射實驗的退孿晶實驗裝置，通過在結(jié)構(gòu)相變溫度Ts之上沿著晶體b軸加偏置壓力，單晶樣品在Ts之下將保持單疇區(qū)形態(tài)，這構(gòu)成了研究電子態(tài)平面內(nèi)各向異性的技術(shù)基礎(chǔ) （見圖2 D）。通過選取樣品和中子束流的相對位置，就可以研究兩個位于四重對稱位置的倒空間點Q=（1, 0, 1）（對應(yīng)實空間a方向）和（0, 1, 1）（對應(yīng)實空間b方向）處的低能自旋漲落。他們首先確認母體材料BaFe2As2在低溫正交相中低能磁激發(fā)僅存在于Q=（1, 0, 1）反鐵磁點，即是二重對稱的（見圖2 B）。隨著溫度升到Ts=TN=138 K之上，Q=（0, 1, 1）點的磁激發(fā)也開始出現(xiàn)，但其強度要遠小于Q=（1, 0, 1）點，兩者的差異持續(xù)到了160 K左右（見圖3），遠遠高于結(jié)構(gòu)相變溫度，這種自旋激發(fā)態(tài)的對稱性破缺是自旋向列相的典型特征。接下來他們在欠摻雜樣品BaFe1.915Ni0.085As2（Ts=58 K，TN=44 K）中同樣觀測到了高溫四方相下具有二重對稱性的自旋激發(fā)并發(fā)現(xiàn)其持續(xù)到了 80 K，說明自旋向列相在欠摻雜樣品中也同樣存在。最后他們在不存在結(jié)構(gòu)相變和磁相變的過摻雜樣品BaFe1.88Ni0.12As2（一直是四方相）中開展了類似的實驗，證實該樣品中自旋激發(fā)差異已經(jīng)完全消失，即自旋激發(fā)恢復(fù)了四重對稱態(tài)。通過對比電阻各向異性的測量結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)自旋激發(fā)差異產(chǎn)生的溫度點和摻雜區(qū)間與電荷角度揭示的向列相結(jié)果高度一致（見圖4），這說明電輸運測量觀測到的電子向列相和中子散射觀測到的自旋向列相之間具有相同的物理起源。這一系列中子散射研究首次從自旋角度確證了電子向列相的存在，并為其微觀物理起源解釋提供了重要實驗依據(jù)，對理解高溫超導(dǎo)體中電子向列相乃至贗能隙的形成有重要參考意義。該項研究工作于2014年7月31日在美國的《科學》雜志上發(fā)表【詳見Science DOI: 10.1126/science.1251853】。
上述研究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博士合作完成，在理論方面與美國萊斯大學的斯其苗教授和A. H. Nevidomskyy教授開展了密切合作。
該研究工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金以及美國相關(guān)科學基金等項目的支持。
圖1. BaFe2-xNixAs2晶體結(jié)構(gòu)及ab面內(nèi)磁結(jié)構(gòu)
圖2. 零壓力和有限偏置壓力下BaFe2As2母體的磁激發(fā)分布，其中D為退孿晶實驗裝置
圖3. BaFe2As2母體低能自旋激發(fā)在Q=（1, 0, 1）和（0, 1, 1）處差異持續(xù)到160 K并與電阻結(jié)果對應(yīng)
圖4. 自旋向列相與平面內(nèi)各向異性電阻在相圖中的分布存在高度一致性
