“透视”铁基超导母体磁弹畴结构
虔 诚
世上浮尘几可甄
一泓物理两元分
衍生不问谁家论
我自虔诚俯首臣
甄：甄别、表征
衍生：物理两元论之外的emergent phenomena
1. 引子
凝聚态物理与材料科学的基本任务之一是构建微观结构¾¾宏观性能关系，简称结构-性能关系。这种理念已经成为经典，毋庸置疑，很多材料学者一生的追求就是去发现、建立和预测各种关系。Ising 因此很容易联想到，从这个意义上自然科学与社会经济生活可统一起来：关系决定一切！这虽然是八卦和调侃，但也是现实与当前生态，如图1 所示。
图1. 社会经济生活的关系四面体，结构稳定、联系紧密！https://www.ualberta.ca/chemical-materials-engineering/undergraduate-studies/materials-engineering
不过，“关系”学通常并不总是如图1 所示那么直接与一撮而就。任何结构都有特定的空间尺度与动力学(时间)尺度，很多情况下不同时空尺度的微结构纠缠在一起，给构建结构-性能关系带来困难，也因此给了材料学者以挥发才情和安身立命的基础。最常见的结构-性能关系当然是牵连微观晶体结构与宏观物理性质的关系：有了晶体组成和晶体对称性，宏观物理性能即呼之欲出！而这一关系中，微观与宏观之间由历史积累的理论与知识(physical laws)作为纽带，如图1。
当然，这也不是什么新观点。在微结构-力学性能关系网中，介观尺度微结构的重要作用已经被广泛认识到，因此宏观力学性能可能很大程度上决定于晶体缺陷、显微织构、晶粒大小、晶界等，显示出介观显微结构正在变得越来越重要，晶体结构-宏观性能之间的一一对应关系变得模糊。与此很大不同，在光电磁功能材料中，微观晶体结构/电子结构与宏观性能之间的一一对应关系深入人心，理论纽带的作用要突出得多。更多人相信知晓晶体结构与电子结构，宏观性能就定了。因此，存在于微观-宏观之间一个很宽尺度范围内的那些介观结构较少受到关注。这体现了物理学家的自信与骄傲。
然而，在关联量子材料，诸如本文要讨论的高温超导体系中，晶体结构与电子结构的内禀不均匀性正在衍生出越来越多的花样，表现出若干介观尺度的结构特征之作用正在被逐渐认识到。这些花样告知我们，介观结构、特别是畴结构，正在这类功能材料的关系网中施加越来越重要的影响。
因此，仅仅通过理解晶体结构与对应的电子结构就预测宏观性能的哲学正在受到改良与革新。本篇以最典型、最简单的一类铁基超导母体材料Fe1+yTe 为例，来说明其中结构畴与磁畴的形态及可能对宏观性质的影响，以便从一个较新的角度来阐释上述理念。
2. Fe1+yTe中的磁-结构相变
在“量子材料”前一篇文章“新型铁基超导体的磁性ID”中，特约通讯员详细科普了非常规铜基超导体和铁基超导体的若干概念及衍生的繁杂物理现象，在此不再啰嗦反复。我们看到了铁基超导与铜基超导之间的相似性：都具有层状晶体结构、都存在自旋共振的指针、有类似的相图。它们的母体都具有反铁磁基态，通过空穴或电子掺杂，都可以诱导出超导电性。不过，从电子结构和层间耦合角度看，铜基超导与铁基超导却也有很多不同之处，至少有如下几点：(1) 铁基超导母体比铜基超导母体三维特征更加显著；(2) 铜基母体是反铁磁绝缘体，因此掺杂后具有一个很宽的赝能隙区域，而铁基母体更多是一种坏金属态，不存在这种赝能隙相区；(3) 铁基母体从高温降温时，存在几乎同步的结构相变与反铁磁相变。这些特点可以由图2所示的卡通相图清晰表现出来。
图2. 铜基超导和铁基超导的卡通相图。http://research.physics.berkeley.edu/lanzara/research/pnictide.html
铜基超导与铁基超导母体的相似性和差异性在过去十年来一直是超导界各路人物追逐的问题。毕竟，物理学人总是很喜欢普适性，并以此在自然科学界构建备受遵从的地位。毕竟，他们也很喜欢差异性，并以此成就科研江湖上立足的绝活。其中，铁基超导母体的结构相变与反铁磁相变基本同步这一特性就让很多人魂牵梦绕。
众所周知，铁基超导母体化合物的晶体结构复杂、电子结构因为多带特征更加难以捉摸。很多学者舍末求本，先从晶体结构最简单的铁基母体开始。沿此思路，铁基硫族化合物Fe1+yTe 作为可能的结构最简单的母体一直备受关注，特别是相变导致的晶体对称性破缺与反铁磁序间的对应关系已经被仔细表征、讨论与猜测过，众说纷纭。搜索文献，可能最靠谱的结构相图与磁相图显示于图3。即便是到最近，关于Fe1+yTe 基体系(Fe1+yTe1-xSex、Fe1+yTe1-xSx等)的成果依然源源不断，包括其中的拓扑超导电性和相关的新效应。
图3. 铁基硫族化合物Fe1+y(Te1-xSex) 基体系的磁结构与晶体结构相图。(图片来自J. Hu et al, Supercond. Sci. Technol. 25, 084011 (2012); P.Mele, Sci. Technol. Adv. Mater. 13, 054301 (2012))
Fe1+yTe 基母体一大特征是其中复杂的自旋序竞争与结构相变。之前大量的工作都是借用宏观表征技术，如中子衍射、磁化率与输运性能测量，来构建晶体结构、电子结构与磁结构。这一逻辑很好地贯彻了“晶体结构/电子结构¾¾宏观性能”的关系哲学，也很好地忽略(平均)了微观与宏观之间可能的介观结构。不过，这一类体系在介观尺度 (微米、亚微米) 的确存在丰富的结构畴和磁畴，给铁基超导电性研究带来了很多麻烦：
(1) y < 0.11 时，存在高温顺磁四方相 (tetragonal) 到低温单斜相 (monoclinic) 的相变，伴随低温反铁磁对角双条纹相 (diagonal double stripe, DDS) 出现。
(2) y > 0.13 时，存在高温顺磁四方相到低温正交相，此时低温磁结构呈现非公度螺旋磁结构。这一特征意味着晶体结构和磁结构的不稳定性，诱发新的结构-磁畴形态，如片状四聚体形态 (plaquette order) 或回纹状形态 (chevron pattern)。
(3) 0.11 < y < 0.13 时，上述多重结构特征与自旋序竞争导致这一成分区域出现三相临界点。而这一成分区域非常靠近超导相区边界，对于理解这一铁基超导体系的超导电性机理很重要。
对三相临界点附近的相变与微结构，前人有各种各样的报道，包括单斜相与正交相共存、公度自旋波与非公度螺旋序共存，等等。不少理论学家也自说自话，有人用轨道有序双交换模型来描述，也有人用轨道序与结构对称破缺耦合模型来描述。早先当然也有一些实验工作，利用自旋分辨STM 手段来探测 y < 0.11 和 y > 0.13 成分区域磁结构；但对三相临界点附近的结构相变与磁畴形态，一直未有清晰的刻画实验。
3. 刻画结构畴-磁畴形态
来自德国汉堡大学的Roland Wiesendanger 团队与来自丹麦Aarhus University 的团队合作，借助高分辨的变温自旋分辨STM 技术，着重于三相临界点附近Fe1+yTe 中结构-磁畴形态的细致刻画。
首先，他们针对低温处于单斜相的成分区域 (Fe1.08Te)，观测到单斜相由四种相互垂直的单斜结构畴组成的回纹状形态。每一个结构畴内部是具有反铁磁畴结构，畴壁处自旋结构具有π 相位差。结构畴形态如图4 (左上部)所示，结构畴界处的放大图像显示于图4 左中部，左下部是自旋分辨的STM 图像，揭示出清晰的反铁磁畴和畴界处自旋取向的变化。作者针对这一回纹状形态，提出了对应的元胞构建模型，显示于图4 右侧。仔细推敲，可以看到这一结构模型能够很好地解释实验观测的形貌结果。
图4. (左侧) Fe1.08Te 单晶样品的结构畴和磁畴观测结果。对应的回纹状结构畴构建模型显示于右侧。
与此很不同，针对Fe1.12Te 单晶，从高温顺磁四方相到低温磁有序相的相变明显要弥散和展示热滞效应，说明相变区域存在亚稳相特征，配合STM 的结构表征，能够很好地认定这是三相临界点附近，四方相、单斜相和正交相共存。不过，这里的回纹状结构畴形态变得不规则，远远没有纯单斜相相变处畴形态那么规则。另外，也能够清晰看到四聚体磁畴结构变得很不规则，这也是在纯单斜相体系中不存在的。如图5 左侧所示，详细的FFT 分析可以将三相临界点附近的磁结构形貌mapping 出来，如图5 右侧所示。
图5. (左侧) Fe1.12Te 单晶样品的M-T 关系曲线、结构畴和磁畴观测结果。M-T 曲线展示明显的热滞回线，对应的单斜相结构和正交相结构的特征也很明显，可以认定是单斜相畴与正交相畴的共存。在A, B 畴界处能够清晰看到磁畴壁的存在，而对应的自旋条纹畴显示于右侧。
铁基超导母体中结构畴与磁畴在介观尺度的耦合效应可以看成是一类磁弹效应，这是铜基超导母体中不存在的特征。这些特征应该是这一类铁基超导物理的特点，值得关注。这一特点在以前的工作中也曾有报道。例如，2014 年有一篇文章 (Room-temperature Ba(Fe1−xCox)2As2 is not tetragonal: direct observation of magnetoelastic interactions in pnictide superconductors, Adv. Mater. doi: 10.1002/adma.201404079) 实际上已经触及这一主题，其中利用高分辨TEM 揭示出122-Ba(Fe1-xCox)2As2 中存在类似于铁电畴一般的纳米尺度磁弹畴，预示出晶体结构与磁结构耦合在一起，对超导电性有重要影响。
这里，Roland Wiesendanger 团队在Fe1+yTe 体系中将这些特征明确无误地凸显出来。在反铁磁相向超导转变过程中，这些特征的影响主要体现在：(1) 结构相变及多相共存对自旋序的稳定性和自旋涨落有很大影响；(2) 超导转变边界处自旋涨落行为显然会受制于结构相变的动力学细节。如果要说这一工作有什么学术价值，笔者认为，正如在图2 右侧铁基超导相图所示那样，Fe1+yTe 母体化合物的结构相变总是与反铁磁相变紧密协同而耦合在一起的。这一工作以“Domain imaging across the magneto-structural phase transitions in Fe1+yTe”为题，发表在npj Quantum Materials 3, 21 (2018) 上。看君有意，可点击本文底部的“阅读原文”，御览详细的数据与讨论。
备注：封面图片来自于https://phys.org/news/2014-04-emerging-paradigm-unconventional-superconductors.html
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