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非常规超导体材料和性质研究是凝聚态物理最活跃的领域之一。这其中,2008年发现的铁基超导体以其较高的超导临界转变温度Tc、奇异的物理性质以及潜在的应用价值,引起了广泛的关注。而非中心对称超导体在自旋-轨道耦合较强时,超导序参量中可能存在自旋单态和三重态的混合,也是一个很有研究价值的体系。因此,我们选择这两个体系来进行研究。获得如下主要结果:
一、在材料探索方面,我们利用二价的碱土金属Sr、Ca等在铁基1111体系的稀土位进行掺杂,成功得到了空穴型掺杂的超导电性。其中Ln1-xSrxFeAsO(Ln=La,Pr)和Tb1-xCaxFeAsO三个体系的最高Tc分别达到25.5 K、16.3 K和15.6 K。霍尔效应实验确证了超导样品的电输运在低温下由空穴型的载流子主导;而正常态霍尔效应和磁阻测量显示了体系存在较强的多带效应。总结这几个超导体系,我们发现掺杂的二价碱土金属离子的半径略大于相应的稀土元素的离子半径,似乎是1111体系中获得空穴型超导电性的一个必要条件。
二、在性质研究方面,我们利用低温比热的手段对铁基超导体的能隙结构、费米面态密度、杂质散射等进行了深入的研究。对于电子型掺杂的超导体LaFeAsO0.9F0.1-δ,我们发现零温下其电子比热系数随磁场的变化表现出很强的非线性,暗示着存在节线或高度各向异性的超导能隙。在空穴型掺杂的122体系Ba0.8K0.4Fe2As2中首次观察到了非常大的电子比热跃变和正常态电子比热系数γn,表明其正常态费米面上具有很大的有效准粒子态密度和显著的有效质量重整化;同时,对其超导能隙的结构进行了研究,发现没有节点的超流在体系中占据主导的地位。最后,在系列电子型掺杂的Ba(Fe1-xCox)2As2单晶中观察到了明显的零温剩余电子比热系数γ0,其随掺杂量的演变可以基于存在节线或者S±的能隙结构,用掺杂引起的杂质散射效应来定性地理解。
三、本论文的另外一个工作是对非中心对称的超导体Mg12-δIr19B16的物理性质的研究。通过对Tc为5.7 K的样品的低温比热研究,我们发现其电子比热随温度和磁场变化的行为均符合BCS理论对s波超导体的预言;同时不能完全排除小量的其它配对形式存在的可能。通过对三个不同Tc的样品的霍尔效应和磁阻的研究,我们还发现体系中存在强烈的多带效应。