壓力下鐵砷基化合物的超導電性研究?

衣瑋1) 吳奇1) 孫力玲1)2)

1)(中國科學院物理研究所,北京 100190)2)(中國科學院大學,北京 100190)(2016年12月13日收到;2017年1月10日收到修改稿)

專題:高壓下物質的新結構與新性質研究進展

壓力下鐵砷基化合物的超導電性研究?

衣瑋1) 吳奇1) 孫力玲1)2)?

1)(中國科學院物理研究所,北京 100190)2)(中國科學院大學,北京 100190)(2016年12月13日收到;2017年1月10日收到修改稿)

隨著高壓實驗設備與技術的不斷發展,壓力作為對物質狀態調控的獨立變量在凝聚態物理研究中得到了越來越廣泛的應用.高壓研究對發現新材料、新現象、新規律及對其形成機理的理解和對相關理論的驗證起到了不可替代的重要作用,近年來在對鐵基超導體超導電性的高壓研究中取得的諸多重要研究進展充分說明了這一點.本文簡要介紹了在壓力下鐵砷基超導體中呈現出的一些有趣的物理現象及其所反映出的物理內涵,例如,壓力下對1111體系超導電性的研究在指導常壓下用小離子半徑元素替代獲得最高超導轉變溫度的鐵砷基超導體和推測鐵砷基超導體超導轉變溫度上限等方面起到了重要作用;壓力可抑制122體系母相的磁有序進而誘發超導電性,并揭示出Eu-122體系中Eu離子插層的磁有序與FeAs層超導電性的關系;在新型鐵砷基超導體Ca0.73La0.27FeAs2中發現的壓致雙臨界點現象等.希望本文能對讀者了解鐵砷基超導體的高壓研究進展情況有所幫助.

高壓,超導電性,鐵砷基超導體

1 引 言

2008年初,日本東京工業大學的Hosono教授研究組[1]首次報道了在氟(F)摻雜的鐵砷化合物LaFeAsO(1111體系)中發現了超導轉變溫度(TC)為26 K的超導電性,從此揭開了繼銅氧化物高溫超導體之后高溫超導材料探索及超導機理研究的新篇章.鐵砷基超導體和銅氧化物高溫超導體類似,也具有層狀準二維晶體結構,主要由FeAs層和中間插層構成.根據這一特點,具有不同種類插層結構的鐵砷基超導體被分為Re FeAs(O/F)(Re為稀土元素)“1111”體系[1],AFeAs(A為堿金屬元素)“111”體系[2],AR FeAs2(AR為稀土元素摻雜的堿土金屬元素)“112”體系、MFe2As2(M為堿土金屬、堿金屬及Eu)“122”體系[3]以及由122體系衍生出的更復雜的 “21311”,“10-3-8”體系等[4,5].圖1為四種主要鐵砷基超導體系的晶體結構.

壓力(P)作為一種極端的實驗條件和重要的物理維度以及對研究材料狀態的獨特調控方式,在凝聚態物理及材料科學等相關前沿科學研究領域中發揮著重要的作用.作為獨立于溫度和化學組分之外的一個參量,壓力在物質科學研究中的作用是其他參量無法替代的.壓力最基本的效應就是使材料內部原子間距縮小,從而影響到材料的物理、化學性質,進而使材料呈現出新現象、新規律及新性質.在壓力的作用下,材料中會產生結構相變、金屬-絕緣體轉變以及超導轉變等豐富的物理現象[6?9].了解壓力下TC的變化規律對超導機理的理解有重要的意義外,對指導常壓下提高TC、設計新型超導體和探索新材料也有很大幫助.比如,在提高鐵基超導體的TC的探索研究中,1111體系超導體LaFeAsO1?xFx的TC在壓力下有所上升[10,11],啟發了趙忠賢團隊用具有較小離子半徑的Sm替代La,并采用高溫高壓合成的方法使TC提高到55 K[12],為鐵基超導體的快速發展做出了關鍵的貢獻.

圖1 四類主要鐵砷基超導體的晶體結構,其中FeAs層為超導“基因”層(如藍色背底所示)Fig.1.The crystal structu res of 1111-type,122-type,112-type and 111-type iron pnictide superconductors,displaying the same superconducting Fe-As layers with d iff erent inter-layers.

常壓下的研究結果表明,鐵砷基超導體的TC與鐵砷層的As—Fe—As鍵角以及陰離子As相對于Fe層的高度有直接關系[13?15].壓力是一種調制晶體結構、改變原子間距和成鍵角度的“純凈”手段,不像化學摻雜那樣向研究體系中引進化學復雜性.鐵砷基超導體對于壓力的敏感性使得高壓研究手段能在鐵基超導體超導電性的研究方面發揮重要作用.

本文圍繞壓力下研究比較多的兩種鐵砷基超導體(1111體系及122體系)和其他幾類有趣的鐵砷基超導體的高壓研究進展,介紹鐵砷基超導體在高壓研究方面的概況.希望能為讀者對鐵砷基超導體高壓行為的了解勾畫出一個粗略的輪廓,更希望能為理論和實驗上開展更加深入的研究提供一組較為系統的關于壓力下行為的實驗結果,進而為非常規超導機理的破解提供有用的信息.本文所列舉的研究實例包括了作者所在的課題組和國內外其他研究小組在鐵砷基超導體高壓研究方面取得的部分研究結果.

2 壓力下的1111體系

1111體系化合物(Re FeAsO,Re為La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd等稀土元素)在室溫下具有四方的Zr-CuSiAs型準二維晶體結構(空間群為P 4/nmm),由鐵砷(FeAs)層和稀土氧(Re-O)層構成.其中,FeAs層是超導層,而Re-O層是載流子庫層(提供載流子).這種各司其職又互相關聯的準二維插層結構的特點與銅氧化物超導體相似.對這類化合物在不同位置上的組分替代、摻雜和施加外部壓力等均被認為是提高鐵砷基超導體TC的有效方法.

未摻雜的1111體系化合物在常壓下并不超導.在降溫過程中,先發生從四方相到正交相的結構相變,然后,在更低溫度下出現反鐵磁有序態[16?24].通過化學摻雜或外部壓力可以抑制反鐵磁有序態,誘發超導轉變.例如,LaFeAsO和SmFeAsO在壓力下其結構相變溫度(TS)和反鐵磁轉變溫度(TM)均會被抑制,隨后出現超導電性.LaFeAsO的最高TC在12 GPa壓力下達到最高值(21 K),而SmFeAsO的TC在9 GPa壓力下為11 K[25].

Lu等和Takahashi等分別對LaFeAsO0.89F0.11材料進行了高壓研究,發現TC的壓力效應為正(TC隨壓力增加而升高)[10],在4 GPa壓力下其TC達到43 K[11].據此,趙忠賢團隊率先通過用其他小半徑的稀土元素如Ce,Pr,Nd,Sm等替代La-1111中的La提高了TC,其中SmFeAsO0.9F0.1[12],SmFeAsO0.85[26]及Gd0.8Th0.2FeAsO[23]的TC均可達到55 K左右.Yi等[27]在對采用高壓方法合成的一系列La-Sm混合稀土的1111體系超導體La1?xSmxFeAsO0.85的研究中發現隨著離子半徑相對較小的Sm含量的不斷增加(La含量的不斷減少),其TC逐步提高.這一結果證實了單純通過施加化學內壓力就可以提高1111體系超導體的TC.同時,也使人們對1111體系超導體在外部壓力下其TC能否進一步提高產生了濃厚的興趣.1111體系在壓力下所表現出的一些物理現象,為人們對這類超導體的理解提供了直接的實驗依據.

2.1 鐵砷基1111體系超導體的最高TC推測

常壓下含有不同稀土元素的1111體系化合物的TC對壓力的響應不盡相同.人們對1111體系化合物開展了大量的高壓研究,取得了許多實驗結果(如表1所列).由該表可見,Pr0.75Sr0.25FeAsO、欠摻雜Sm-1111體系及所有La-1111體系化合物的超導電性都具有正的壓力效應,而最佳摻雜和過摻雜的Sm-1111體系以及Ce-1111,Nd-1111,Gd-1111超導體的超導電性都具有負的壓力效應.

Yi等[28]在高壓下原位電阻等物性測量研究中發現,具有最佳氧含量的SmFeAsO0.85和Nd-FeAsO0.85隨著壓力的升高其TC會下降,其壓力效應(d TC/d P)分別為?2.0 K/GPa和?2.6 K/GPa.綜合考慮實驗與理論計算結果,他們認為壓力對超導電性的負作用主要歸因于壓力導致了其費米面附近態密度的降低.Lu等[29]發現高壓合成的過量氟摻雜樣品LaFeAsO0.4F0.6常壓下的TC為41 K.隨后Yi等[30]發現,高氧缺位樣品LaFeAsO0.3從名義組分上看屬于過摻雜樣品,常壓下的TC為43 K,而在1.5 GPa的壓力下其TC達到50 K.過量氟摻雜的LaFeAsO0.5F0.5樣品其常壓下的TC為37.5 K,在壓力2.7 GPa下達到45 K.LaFeAs(O0.89F0.11)常壓下的TC為26 K,在壓力3 GPa下達到30.5 K.三種材料在壓力作用下均形成具有拱形TC-P關系的相圖.其中LaFeAs(O0.89F0.11)的高壓研究結果與Zocco等[31]對LaFeAs(O0.89F0.11)的高壓研究取得的結果基本一致,而過量氟摻雜的LaFeAs(O0.5F0.5)的高壓研究數據與Takahashi等[11]對LaFeAs(O0.89F0.11)的高壓研究結果相符合.

常壓下LaFeAsO0.3的TC為43 K,這是La-1111體系超導體在常壓下迄今為止達到的最高TC.在壓力的作用下,其TC迅速提高,壓力效應為7.5 K/GPa.在約1.5GPa壓力下達到50 K的最大值,之后呈線性下降(d TC/d P=?1.2 K/GPa),直到該實驗的最高壓力(約13 GPa).可見,雖然常壓下LaFeAsO0.3的TC要比LaFeAs(O0.89F0.11)高,但是二者TC的壓力效應都是先正后負.

將上述實驗結果進行整理可得到TC與壓力的關系,如圖2所示.如果對每個樣品的TC隨著壓力升高而下降部分的TC-P數據進行擬合,并反向延長至常壓,發現所有樣品在常壓下的TC都在55 K左右.由此,Yi等[30]認為這些實驗結果表明鐵砷基超導體可實現的極限TC可能不會超過60 K.的確如此,到目前為止在塊體鐵砷基超導體中尚未發現TC突破此推測極限的情況.

表1 具有1111結構的鐵砷基超導體的常壓TC與高壓TC的對比.表中AP-TC為常壓下的超導轉變溫度;Max-TC為最高TC(包括壓力下);Pmax為最高TC對應的壓力值;Ph為所研究的最高壓力;AP為常壓條件Tab le 1.The TCvalues of iron pnictide superconductors with 1111 type structu re ob tained at ambient pressure and high pressure.AP,ambient pressure;Max-TC,the highest TC(including the TCachieved at high pressure);Pmax,the pressure where themaximumTCis achieved;Ph,the highest pressu re applied for the investigations.

圖2 在常壓下具有不同TC的La-1111體系的TC-P相圖Fig.2.Temperature-pressure phase diagramof the La-1111 samples.

2.2 壓力下Ce-1111超導體中超導電性與近藤效應的競爭

Sun等[36]對x為0.1和0.3的CeFeAsO1?xFx的鐵砷基超導體開展高壓下的電阻測量、X射線衍射測量以及X射線吸收譜研究,發現了在壓力作用下CeFeAsO1?xFx從超導態到非超導態的轉變(如圖3所示).

圖3 CeFeAsO1?xFx(x為0.12,0.16及0.3)[34,36]的TC-P相圖,插圖為SmFeAsO0.85,LaFeAsO0.5F0.5和LaFeAsO0.89F0.11的TC-P相圖Fig.3.Pressu re dependence of the superconducting transition temperature(TC)for CeFeAsO1?xFx(x=0.12,0.16 and 0.3)[34,36]samples.The inset shows the plots of TC-P for SmFeAsO0.85,LaFeAsO0.5F0.5and LaFeAsO0.89F0.11superconductors.

電阻測量表明,CeFeAsO1?xFx的TC隨著壓力的升高而緩慢下降.大約在8 GPa壓力以上,其TC突然驟降然后超導消失[34,36].比較不同F摻雜量的CeFeAsO1?xFx樣品,發現F摻雜量越高的樣品在壓力作用下TC降低并消失的越迅速.與周期表中位于Ce兩側的Sm和La的1111體系超導樣品的TC-P相圖相比較,發現其他Re-1111體系超導體在壓力作用下并沒有出現這種類似現象.雖然也出現TC下降,但是直到20 GPa,超導轉變依然沒有消失.高壓下原位X射線衍射以及X射線吸收譜研究發現,在超導電性消失的臨界壓力點下,樣品的晶格發生了坍塌,同時Ce離子的價態發生了變化.他們認為這種Ce-1111超導體中TC在壓力作用下突然消失的現象可能源于這種超導體中存在的超導相和近藤效應的相互競爭.

圖4 (a)不同壓力下GdFeAsO0.85的比熱測量結果,插圖為?C/TC對溫度的依賴關系,其中藍色實心三角形為常壓下SmFeAsO0.6的比熱測量結果[44];(b)Gd FeAsO0.85的TC-P相圖,其中紅色方形和綠色方形分別為電阻測量和磁化率測量結果,藍色圓形為比熱測量結果Fig.4.(a)The temperature(T)dependence of the excess specifi c heat of GdFeAsO0.85(?C/T)related with superconducting transition at diff erent pressu res,the inset shows?C/TCvs Tin a log-log scale,bold triangle represents the ambient pressu re data for SmFeAsO0.6[44];(b)TC-P phase d iagramof GdFeAs0.85,ob tained fromresistance,alternating cu rrent susceptibility and specifi c heat measurements.

2.3 G d-1111超導體超導電性的高壓抑制

Zhou等[42]對最佳氧空位的GdFeAsO0.85多晶樣品開展了高壓下的超導電性研究,包括低溫下的電阻測量、交流磁化率測量以及比熱測量,發現隨著壓力的增加其TC單調下降.此外,他們還對該樣品進行了高壓原位比熱(C)測量,這是首次報道的關于鐵砷基1111體系超導體的高壓比熱測量結果.圖4(a)為不同壓力下比熱的測量結果和分析,可見,?C/TC與T2成正比(見插圖).將高壓下電阻測量、磁化率測量以及比熱測量得到的TC-P關系匯總于圖4(b),發現壓力對于GdFeAsO0.85的TC的影響并非是線性的.在低壓范圍內,TC的壓力效應約為?1.4 K/GPa,而在5 GPa附近時,壓力效應達到?4.9 K/GPa.由此,他們推測大概在10 GPa附近GdFeAsO0.85的超導電性將會完全消失,該結論還有待進一步的實驗驗證.

3 壓力下的122體系

122體系的鐵基超導體MFe2As2(M為堿金屬、堿土金屬或Eu)具有ThCr2Si2型晶體結構,與1111體系相似之處是都具有包含FeAs層的準二維結構,不同之處在于其FeAs層之間的插層由金屬陽離子層替代了Re-O層.下面分三種情況介紹這類材料的超導電性在高壓下的研究進展.

3.1 A-122(A=K,Rb,Cs)體系TC的壓力效應

堿金屬插層的122體系超導體AFe2As2(A為Na,K,Rb,Cs,簡稱為A-122)在常壓下具有超導電性[3,45?55],施加外部壓力后,其TC隨壓力的變化不盡相同.圖5中是A-122體系主要成員TC的高壓研究結果.Tafti等[56?58]發現在壓力不高于2.5 GPa時,其TC均先降低后升高,構成V形TC-P相圖.比如,KFe2As2在常壓下其TC為3.6 K,當壓力為1.75 GPa時,其TC下降到1.6 K,然后又隨著壓力的增加而升高;RbFe2As2在常壓下其TC為2.5 K,在1.1 GPa壓力作用下其TC下降到1.2 K,隨后又隨著壓力的增加而升高;類似的TC-P相圖在CsFe2As2中也被觀察到[56?58].對于A-122體系中TC的壓力效應由負變正的物理解釋,科學家們開展了一系列高壓研究和討論.Tafti等[56]指出K-122的TC在壓力作用下的V形轉變是由于其超導配對從d波到s波的變化所致.而Taufour等[59]和Terashima等[60]則認為是由于能帶結構在臨界壓力以上發生了改變.此外,高壓下的核磁共振研究認為,這種V形的TC-P關系與自旋漲落相關[61,62].

KFe2As2的TC對傳壓介質和加壓方式很敏感.Nakajima等[63]利用金剛石對頂砧,在以NaCl為傳壓介質進行的高壓研究中發現,壓力為15 GPa以上時,K-122出現了一個新的超導相,而且TC隨著壓力的增大而降低.Ying等[64]利用金剛石對頂砧,以液體Daphne 7373為傳壓介質對K-122的高壓研究中,在約16 GPa壓力以上同樣發現了這一新的超導相.而Wang等[65]采用立方六面對頂砧對K-122的研究中,在17.5GPa的靜水壓力環境下并沒有發現上述新的超導相.

圖5 AFe2As2(A為K,Rb和Cs)的TC-P相圖,不同的背底顏色用來區分K-122的四方相結構(T-phase)和坍塌四方相結構(cT-phase)Fig.5.The temperature-pressu re phase diagramof AFe2As2(A=K,Rb,and Cs).The yellowregion and b lue region showthe pressu re dependence of TCin the T-phase and cT-phase,respectively.

壓力作用下A-122的晶體結構會從四方相(T-phase)轉變成坍塌的四方相(cT-phase).K-122的四方相到坍塌四方相轉變的臨界壓力約為15 GPa[63,64],Na-122的臨界壓力約為4 GPa[66].K-122新的高溫超導相的出現,對應于結構為cT相的壓力區域(如圖5).

3.2 Ae-122(Ae=Ca,Sr,Ba)體系的高壓研究

當MFe2As2體系中的M為堿土金屬時,常壓下的母相材料在低溫下出現晶體結構相變(從四方相I4/mmm(ThCr2Si2型結構)到正交相Fmmm(β-SrRh2As2型結構)),同時伴有反鐵磁相變(即TS=TM).含有不同堿土金屬的這類化合物,其相變溫度有所不同,比如,CaFe2As2的TS(或TM)約為170 K[67,68],SrFe2As2的TS(或TM)約為205 K[69],BaFe2As2的TS(或TM)約為132 K[70](140 K[71]). 通過化學摻雜可以壓制TS和TM,誘發超導轉變,例如,采用過渡金屬TM(TM為 Co,Ni,Pd,Rh,Ru,Pt,Ir等)在Fe位摻雜的Ae(Fe1?xTMx)2As2在常壓下均表現出超導電性[72?82].此外,外部壓力作用同樣可以誘發該體系的超導轉變.

研究發現,Ae-122體系化合物的超導電性對壓力環境的敏感性極強,相同樣品在軸壓和靜水壓力環境下的實驗結果相差很大,如進入超導態的起始壓力,最高TC以及最高TC對應的臨界壓力等在不同的壓力環境下均有所不相同[83?86].

例如,對BaFe2As2單晶樣品采用不同傳壓介質的高壓研究就出現了幾種不同的結果[87?91].Alireza等[87]報道,在2.8 GPa壓力下出現超導態,隨后在4.5 GPa壓力下其TC最高達到29 K.而Mani等[90]報道,BaFe2As2在1.5GPa的壓力下最高TC為35 K.Kimber等[92]則報道,在5.5 GPa的壓力下其最高TC為31 K.結果表明:相對靜水壓而言,軸壓更有利于BaFe2As2中超導態的出現.

再如,Sr-122體系中,壓力對于結構相變和磁相變溫度的抑制速率大概在?10 K/GPa到?13 K/GPa之間[93,94].值得注意的是靜水壓環境的不同,會得到不同的高壓實驗結果(雖然它們的趨勢相近).Takahashi等[95]在高壓下電阻測量中發現,在1.5 GPa壓力下超導轉變的起始溫度出現在11.5 K;當壓力約為4 GPa時TC達到34 K,隨著壓力的繼續增加TC開始降低.而Alireza等[87]在高壓下磁測量中發現,在3.1 GPa壓力下TC為25 K,在3.8GPa壓力下TC達到27 K的最高值,隨后下降.

壓力環境對于TC的影響在Ca-122中表現尤為突出.對于CaFe2As2的高壓研究發現,在準靜水壓約0.5 GPa下,TC約為10 K[96?100].而當采用氦氣為傳壓介質的更好的靜水壓條件下,卻沒有出現超導態[85].可見,即使對同一樣品,使用不同的傳壓介質得到的溫度-壓力相圖也有所不同[84].Torikachvili等[96]報道了Ca-122在比較低的壓力(0.23GPa)下便出現超導電性,在0.5 GPa下TC升高到12 K.而Park等[97]在0.69 GPa下發現其最高TC約為13 K.

此外,對于摻雜的Ba-122體系超導體,因摻雜情況不同,其TC的壓力效應也不盡相同.如電子欠摻雜的超導體Ba(Fe1?xCox)2As2中,超導態與反鐵磁態共存,在2.4 GPa壓力下,其反鐵磁有序溫度從66 K下降到約52 K,而TC由11 K升高到21 K[101,102];對于最佳摻雜及過摻雜的樣品,壓力對TC的影響卻微乎其微[103];而對于空穴最佳摻雜的Ba0.55K0.45Fe2As2而言,TC的壓力效應為?2 K/GPa[96].

3.3 高壓下Eu-122中Eu價態的變化及磁有序與超導電性的競爭

不同于AeFe2As2,EuFe2As2含有4f電子,因而具有一些獨特的性質.由于Eu2+(4f7電子構型)的離子半徑相對于Eu3+(4f6電子構型)的離子半徑大,在壓力作用下Eu-122中的Eu離子容易發生從二價到三價的價態變化.因而,施加外部壓力或在As位采用等價態磷的摻雜引入化學內壓力均能導致Eu離子價態的變化,同時誘發超導電性[104,105].

Sun等[106]在常壓下對EuFe2As2,EuFe2As1.4-P0.6以及EuFe1.715Co0.285As2中的Eu離子通過室溫X射線吸收譜進行價態表征的研究中發現,只在EuFe2As1.4P0.6超導體中存在Eu2+和Eu3+的混價態,如圖6(a)所示,并確定了其Eu離子的平均價態為2.32.在高壓下對EuFe2As2中的Eu通過原位X射線吸收譜進行價態表征,發現在壓力的作用下,譜權重由Eu2+向Eu3+的轉移,如圖6(b)所示,插圖中給出了Eu的平均價態與壓力的關系.在2.8 GPa下,EuFe2As2中的Eu離子平均價態約為2.3,這與常壓下EuFe2As1.4P0.6中的Eu離子的平均價態(2.32)接近.EuFe2As2在2.8 GPa下,其晶胞體積受到壓縮后與同結構的EuFe2As1.4P0.6在常壓下的晶胞體積相近.Terashima等[107]報道EuFe2As2在壓力2.8 GPa下的TC為30 K,與常壓下EuFe2As1.4P0.6的TC(26 K)[108]也相近.

對于EuFe2As2的高壓研究還發現,隨著壓力的增加,FeAs層的反鐵磁有序態被壓力壓制后出現了超導電性.在壓力下Eu-122體系中的超導電性與其價態變化的關聯性是一個十分有趣的問題.理解這些問題對于我們理解超導機理大有裨益.對于由磁性導電層和非磁性插層組成的非常規超導體如銅氧化物超導體和大多數的鐵基超導體而言,其超導電性的出現與導電層的長程反鐵磁序的抑制緊密相關.

圖6 (a)常壓下EuFe2As2,EuFe2As1.4P0.6和 EuFe1.715Co0.285的X射線吸收譜;(b)不同壓力下EuFe2As2的X射線吸收譜,插圖所示為EuFe2As2中Eu的平均價態與壓力的關系Fig.6.(a)X-ray absorption spectra data ob tained at ambient pressu re for the three samples;(b)X-ray absorption spectra data for EuFe2Aa2obtained at diff erent pressures.The inset shows the plot of pressu re vsmean valence of Eu ions in EuFe2As2.

由于Eu-122體系中存在兩種不同磁性起源的結構層(FeAs層和Eu離子層)[18],所以在鐵基超導體成員中它具有特殊性[109,110].對于這種獨特的體系,Eu插層中的磁性與該樣品超導電性的關系是備受關注的前沿問題.Guo等[111]對EuFe2(As0.81P0.19)2單晶樣品開展了系統和深入的高壓研究,包括原位電阻測量、比熱測量、X射線衍射測量及X射線吸收測量.如圖7所示,隨著壓力的升高,TC不斷下降,而Eu離子插層的磁有序態轉變溫度(Tm)不斷上升,其有序態與超導態在很窄的壓力范圍(0—0.5 GPa)內是共存的.隨著壓力的繼續升高,當Eu離子插層的磁有序轉變溫度高于TC時,超導電性消失.高壓同步輻射X射線衍射實驗結果表明:EuFe2(As0.81P0.19)2在所研究的壓力范圍內并沒有發生結構相變,但是在9 GPa壓力附近發現c軸有明顯的塌縮.高壓同步輻射吸收實驗結果表明,Eu離子的價態隨著壓力的升高從二價向三價轉變.可見壓致體積塌縮是促進Eu價態轉變的主要原因.該研究首次綜合研究了壓力下Eu離子插層的磁性對FeAs層的超導電性影響,提出了Eu離子插層磁有序轉變溫度低于TC時,超導電性可與Eu離子層的磁有序態共存.當Eu離子層磁有序的轉變溫度高于TC時,超導電性不再存在.這些研究結果豐富了人們對鐵基超導體中磁性插層的有序態與超導態間相互作用的認識.

圖7 EuFe2(As0.81P0.19)2的壓力-溫度相圖,圖中TC為超導轉變臨界溫度,Tm為PM-UM的轉變溫度,T為PM-FM的轉變溫度Fig.7.Pressu re-Temperature phase diagramof the EuFe2(As0.81P0.19)2sample.TC(R)stands for superconducting transition temperature determined fromelectrical resistancemeasu rements;Tm(R)and Tm(C)represent the onset temperature of PM-UMtransition of the Eu ions,which are obtained fromelectrical resistance and heat capacity measurements;T(R)and T(C)represent the onset temperatu re of PM-FMtransition,which are ob tained fromelectrical resistance and heat capacity measurements.

4 其他體系鐵砷基超導體的高壓研究

對于準二維插層結構的鐵砷基超導體,在不改變FeAs超導層的基礎上,插入不同的中間插層可以在調制載流子濃度的同時,改變化學內壓力以及FeAs層與插層間的相互作用進而實現對超導態的調制.例如,在122體系的基礎上,通過復雜的插層結構,增加FeAs層之間距離便成為了材料物理學家探索新型超導材料的又一個有效途徑.如Sr2VO3FeAs(21311)便是具有復雜插層結構的一類122體系鐵基超導體.其中間插層為復雜的Sr4V2O6層[4].其常壓下TC為36.4 K,而在4 GPa壓力下其TC提高到約46 K[112].Sr2Mg2Ti0.7O3FeAs同樣具有復雜的插層結構,其TC在常壓下為37 K,而在4.2 GPa壓力下其TC提高到43 K[113].此外,還有下列幾種重要的FeAs基超導體在壓力下表現出有趣的行為.

4.1 兩種111體系壓致超導電性變化的比較

111體系超導體AFeAs(A=Li,Na)具有Cu2Sb型的插層結構,空間群為P 4/nmm(與1111體系超導體一樣),FeAs層之間的插層為堿金屬離子層. Gooch等[114]對LiFeAs的高壓研究中發現TC的壓力效應為?1.5 K/GPa,這與Zhang等[115]對LiFeAs開展的高壓研究的結果一致.而Na1?xFeAs在3 GPa壓力下其TC從26 K升高到31 K,隨后隨著壓力繼續增加TC迅速下降(如圖8所示)[116].高壓原位X射線衍射測量結果表明[117],As—Fe—As的鍵角是決定TC的關鍵因素.由于Li離子半徑比Na離子半徑小,所以LiFeAs的壓力效應該處于NaFeAs的TC-P相圖中TC下降的階段.

4.2 具有復雜晶體結構10-3-8體系的壓致超導電性及其與摻雜效應的對比

Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5是一種新型的具有更為復雜插層結構的鐵砷基化合物(簡稱為10-3-8體系),其晶體結構可描述為在CaFe2As2晶格中交替插入PtnAs8中間層,即在一個晶胞中以Ca-PtnAs8-Ca-Fe2As2復雜的層狀形式堆垛而成[118?124].未摻雜的10-3-8化合物為反鐵磁半導體.通過用Pt部分替代其FeAs層中的Fe,可誘導超導電性的出現[121?124].

圖8 NaFeAs的TC,As—Fe—As鍵角以及晶體結構與壓力的依賴關系Fig.8.The pressu re dependence of TC,As—Fe—As bond angle and crystalline structu re of NaFeAs.

圖9 Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5單晶樣品的溫度-壓力相圖及其與溫度-摻雜相圖的對比(實心綠點和藍點代表壓力下的超導轉變溫度TC,空心四方型代表Fe位Pt摻雜得到的TC)Fig.9.Temperatu re-pressure electronic phase d iagramfor the Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5,and scaled temperatu re-doping phase d iagram.

Gao等[5]通過高壓原位電阻測量、交流磁化率測量、霍爾測量及同步輻射X射線結構分析等綜合實驗手段,對這類具有復雜插層結構的化合物進行了深入、系統的高壓研究.他們發現壓力可有效地抑制樣品中的反鐵磁長程序,誘發超導電性.在壓力小于2.5 GPa以下時,10-3-8化合物表現出半導體特征.低溫下其反鐵磁轉變溫度隨著壓力的增加而下降.在壓力為3.5 GPa處,其反鐵磁有序態被抑制,樣品進入超導態(如圖9所示).

將溫度-壓力電子相圖和Fe位Pt摻雜的溫度-摻雜電子相圖相對比,發現在4.1 GPa以內,壓力和電子摻雜對該體系的反鐵磁轉變溫度的抑制和TC的影響十分相似.然而在更高壓力下,壓力和電子摻雜對該體系TC的影響則完全不同,表明兩種途徑對費米面拓撲性質的影響是不同的.這些實驗結果為進一步深入開展對鐵基超導體的實驗和理論研究提供了重要的信息.

4.3 壓力下112體系相圖中的雙臨界點

Ca1?xLaxFeAs2(簡稱為AR-112)體系是一個新型鐵砷基體.與MFe2As2相比,這類超導體的晶體結構可以描述為FeAs層與復雜的(Ae/Re)-As-(Ae/Re)插層構成.空間群為P 21(No.4).當La摻雜量為0.15時,其晶體結構才穩定,并且反鐵磁態與超導態共存[125].當La摻雜大于0.25后,該體系具有純的反鐵磁態[126].

Zhou等[127]對具有純反鐵磁態的Ca0.73-La0.27FeAs2開展了高壓原位電阻測量、交流磁化率測量以及比熱測量等.他們發現壓力可以使其反鐵磁有序態被逐漸抑制,在反鐵磁轉變溫度(TM)突然消失的壓力點,超導態同時出現.而且,其TM與TC的數值非常接近,幾乎相交于一點.這是首次從實驗上在高溫超導體的TC-P相圖中發現的具有雙臨界點的反鐵磁與超導相變.這一發現不僅對112體系超導體的超導電性有了更為深刻的理解,而且對于其他具有3d電子的超導體中超導電性與反鐵磁關系的理解也具有重要的意義.

5 壓力對各類鐵砷基超導體超導轉變溫度的影響

鐵砷基化合物在壓力作用下其超導電性表現出豐富的變化.圖10中歸納了壓力對主要的鐵砷基化合物TC的影響.由圖10(a)可見,在壓力作用下,常壓下不超導的1111,122,112及10-3-8等多個體系的母相材料及過摻雜或者欠摻雜的鐵砷基化合物在壓力作用下可以實現超導.隨著壓力的繼續增加,TC升高到一個最大值后開始下降甚至消失.拱形的TC-P相圖是鐵砷基超導體的一個共性.SmFeAsO在壓力作用下出現超導態后,TC并沒有明顯的升高.在一定壓力范圍內其TC基本不變,隨后開始出現下降.SmFeAsO的這種特殊性可能與其晶體結構中As—Fe—As的鍵角接近鐵砷基超導體最佳的鍵角有關.相對銅氧化物,鐵砷基超導體的壓力效應更為敏感.常壓下不超導的鐵砷基化合物,在較低壓力作用下其反鐵磁序就會被抑制,隨后出現超導態并達到最高TC.在已報道的鐵砷基化合物中,EuFe2As2的壓致超導轉變溫度為最高(41 K).

圖10主要鐵砷基超導體的TC與壓力的依賴關系 包括:Ca0.73La0.27FeAs[42]2,EuFe2As2[104],LaFeAsO[25],CaFe2As2[87],SrFe2As2[94],BaFe2As2[90],SmFeAsO[25],Ca10(Pt3As8)(Fe1.996Pt0.004As2)5[5],SmFeAsO0.85[28],Gd FeAsO0.85[42],Nd FeAsO0.85[28],LaFeAsO0.3[30],CeFeAsO0.88F0.12[31],Sr2VO3FeAs[112],LaFeAsO0.89F0.11[11],Na1?xFeAs[116],GdFe0.9Co0.1AsO[43],LiFeAs[114]和Pr0.75Sr0.25FeAsO[37];△表示壓力調控TC上升可達到的最大值及相應的壓力,▽表示TC在壓力作用下降低的溫度,其所對應的壓力為報道的研究壓力范圍;(a)圖中?表示壓力作用下超導態出現時的TC,(b)圖中?表示常壓下的TCFig.10.The pressure dependence of TCfor iron pnictide superconductors.△represents the TCthat is increased under pressure,▽stands for the TCthat is decreased under pressu re;?in figu re(a)represents the TCthat is emerged by the application of pressu re;?in figure(b)represents the TCthat exits at ambient pressu re.

圖10(b)中匯總了常壓下超導的主要鐵砷基超導體的TC在壓力作用下的變化趨勢.可見,對于很多在常壓下超導的鐵砷基超導體,如La-1111,空穴摻雜的Pr-1111,Na-111以及具有復雜插層結構的21311體系在壓力作用下,TC會繼續升高,達到最高TC后再緩慢下降,構成了拱形的TC-P相圖.此外,最佳摻雜的Sm-1111,Gd-1111,Nd-1111體系以及Li-111體系超導體在壓力作用下其TC的降低可以歸納為As—Fe—As鍵角偏離了最優值[13?15]. 有趣的是Ce-1111中As—Fe—As鍵角在壓力作用下朝著最佳值方向變化,但其TC卻是下降的,其原因在于Ce離子在壓力作用下由Ce3+向Ce4+變化,導致超導態與近藤效應的競爭,從而抑制了TC的升高[36].

6 結束語

自2008年鐵基超導體被發現以來,對鐵基超導體的研究一直是高溫超導研究領域的主攻方向.其中,高壓下鐵砷基超導體的研究對促進鐵基超導體的研究發揮了重要的作用.在壓力下鐵砷基超導體表現出豐富的物理現象,啟示著人們開展對鐵基超導新材料的探索及其超導機理的研究.例如,在壓力下對1111體系超導電性的研究在指導常壓下用小離子半徑元素替代從而獲得了最高TC鐵砷基超導體和推測鐵砷基超導體超導轉變溫度上限等方面起到了重要作用;壓力可抑制122體系母相的磁有序進而誘發超導電性,并揭示出Eu-122體系中的Eu離子插層中的磁有序與FeAs層超導電性的關系;在新型鐵砷基超導體Ca0.73La0.27FeAs2中發現的壓致雙臨界點現象等.這些實驗結果為人們理解鐵砷基超導體的電子結構與晶體結構的變化關系以及磁性與超導電性的關系等高溫超導研究的核心問題提供了重要的實驗依據.毫無疑問,在Onnes首次開展高壓下超導電性研究[128]90多年后的今天,基于現代技術的高壓下的超導研究更應該是值得我們繼續開展和充滿期待的研究方向.

感謝趙忠賢院士給予本文的指導.感謝與作者共同發表本綜述中所涉及文章的合作者:Robert Cava教授、車廣燦研究員、陳根富研究員、陳仙輝教授、戴希研究員、丁洪研究員、董曉莉研究員、方忠研究員、馮濟教授、郭靜副研究員、Ni Ni教授、任志安研究員、Katsuya Shimizu教授、V ladimir Sidorov教授、王楠林教授、張廣銘教授、趙忠賢院士和周放研究員等.感謝上海光源和中國科學院高能物理研究所同步輻射裝置對我們相關高壓實驗的支持.

[1]Kamihara Y,Watanabe T,HiranoM,HosonoH2008J.Am.Chem.Soc.130 3296

[2]W ang X C,Liu Q Q,LüY X,GaoW B,Yang L X,Yu R C,Li F Y,Jin C Q 2008Solid State Commun.148 538

[3]Rotter M,Tegel M,Johrend t D 2008Phys.Rev.Lett.101 107006

[4]Zhu X Y,Han F,Mu G,Cheng P,Shen B,Zeng B,W en HH2009Phys.Rev.B79 220512

[5]GaoPW,Sun L L,NiN,GuoJ,Wu Q,Zhang C,Gu D C,Yang K,Li AG,Jiang S,Cava R J,ZhaoZ X 2014Adv.Mater.26 2346

[6]Sun L L,Chen X J,GuoJ,GaoPW,Huang Q Z,W ang HD,Fang MH,Chen X L,Chen G F,W u Q,Zhang C,Gu D C,Dong X L,W ang L,Yang K,Li AG,Dai X,MaoHK,ZhaoZ X 2012Nature483 67

[7]Matsuoka T,Shimizu K2009Nature458 186

[8]Ma Y M,Eremets M,Oganov AR,X ie Y,Trojan I,Medvedev S,Lyakhov AO,Valle M,Prakapenka V 2009Nature458 182

[9]Kang D F,Zhou Y Z,Y iW,Yang C L,GuoJ,Shi Y G,Zhang S,Li AG,Yang K,Wu Q,Zhang G M,Sun L L,ZhaoZ X 2015Nat.Commun.6 7804

[10]Lu W,Yang J,Dong X L,Ren Z A,Che G C,ZhaoZ X 2008NewJ.Phys.10 063026

[11]Takahashi H,Igawa K,Arii K,Kamihara Y,HiranoM,HosonoH2008Nature453 376

[12]Ren Z A,Lu W,Yang J,Y iW,Shen X L,Li Z C,Che G C,Dong X L,Sun L L,Zhou F,ZhaoZ X 2008Chin.Phys.Lett.25 2215

[13]Mizuguchi Y,Hara Y,Deguchi K,Tsuda S,Yamaguchi T,Takeda K,Kotegawa H,Tou H,TakanoY 2010Supercond.Sci.Tech.23 054013

[14]Lee C H,IyoA,Eisaki H,KitoH,Fernandez-D iaz MT,Kumai R,Miyazawa K,Kihou K,Matsuhata H,Braden M,Yamada K2008J.Phys.Soc.Jpn.77 44

[15]Konzen LMN,Sefat AS 2016 arX ive:1611.03400[condmat.supr-con]

[16]Luetkens H,Klauss HH,Kraken M,Litterst F J,Dellmann T,Klingeler R,Hess C,Khasanov R,AmatoA,Baines C,Kosmala M,Schumann OJ,Braden M,Hamann-BorreroJ,Leps N,Kond rat A,Beh r G,W erner J,Buchner B2009Nat.Mater.8 305

[17]Rotundu C R,Keane D T,Freelon B,W ilson S D,KimA,Vald ivia P N,Bourret-Cou rchesne E,Birgeneau R J 2009Phys.Rev.B80 144517

[18]ZhaoJ,Huang Q,de la C ruz C,Li S L,Lynn JW,Chen Y,G reen MA,Chen G F,LiG,Li Z,LuoJ L,W ang N L,Dai P C 2008Nat.Mater.7 953

[19]Jesche A,Krellner C,de Souza M,Lang M,Geibel C 2010Phys.Rev.B81 134525

[20]Q iu Y,BaoW,Huang Q,Y ildirimT,Simmons J M,G reen MA,Lynn J W,Gasparovic Y C,Li J,W u T,W u G,Chen X H2008Phys.Rev.Lett.101 257002

[21]Chen Y,Lynn J W,Li J,Li G,Chen G F,LuoJ L,W ang N L,Dai P C,dela Cruz C,Mook HA2008Phys.Rev.B78 064515

[22]Martinelli A,Palenzona A,TropeanoM,Pu tti M,Ferdeghini C,Profeta G,Emerich E 2011Phys.Rev.Lett.106 227001

[23]W ang C,Li L J,Chi S,Zhu ZW,Ren Z,Li Y K,W ang Y T,Lin X,LuoY K,Jiang S A,Xu X F,CaoG H,Xu Z A2008Europhys.Lett.83 67006

[24]D rewAJ,Niedermayer C,Baker P J,Pratt F L,Blundell S J,Lancaster T,Liu R H,W u G,Chen X H,W atanabe I,Malik V K,Dub roka A,Rossle M,KimKW,Baines C,Bernhard C 2009Nat.Mater.8 310

[25]Takahashi H,Okada H,Igawa K,Kamihara Y,HiranoM,HosonoH,Matsubayashi K,UwatokoY 2009J.Supercond.Nov.Magn.22 595

[26]Ren Z A,Che G C,Dong X L,Yang J,Lu W,Y i W,Shen X L,Li Z C,Sun L L,Zhou F,ZhaoZ X 2008Europhys.Lett.83 17002

[27]Y iW,Yang J,Shen X L,Lu W,Li Z C,Ren Z A,Che G C,Dong X L,Zhou F,Sun L L,ZhaoZ X 2008Supercond.Sci.Tech.21 125002

[28]Y iW,Sun L L,Ren Z A,Lu W,Dong X L,Zhang HJ,Dai X,Fang Z,Li Z C,Che G C,Yang J,Shen X L,Zhou F,ZhaoZ X 2008Europhys.Lett.83 57002

[29]Lu W,Shen X L,Yang J,Li Z C,Y iW,Ren Z A,Dong X L,Che G C,Sun L L,Zhou F,ZhaoZ X 2008Solid State Commun.148 168

[30]Y iW,Zhang C,Sun L L,Ren Z A,Lu W,Dong X L,Li Z C,Che G C,Yang J,Shen X L,Dai X,Fang Z,Zhou F,ZhaoZ X 2008Europhys.Lett.84 67009

[31]ZoccoD A,Hamlin J J,Baumbach R E,Maple MB,McGuire MA,Sefat AS,Sales BC,Jin R,Mand rus D,Jeff ries J R,W eir S T,Voh ra Y K2008Physica C468 2229

[32]Okada H,Igawa K,Takahashi H,Kamihara Y,HiranoM,HosonoH,Matsubayashi K,UwatokoY 2008J.Phys.Soc.Jpn.77 113712

[33]KawakamiT,KamataniT,Okada H,TakahashiH,Nasu S,Kamihara Y,HiranoM,HosonoH2009J.Phys.Soc.Jpn.78 123703

[34]ZoccoD A,Baumbach R E,Hamlin J J,Janoschek M,LumIK,McGuire MA,Sefat AS,Sales BC,Jin R,Mandrus D,Jeff ries J R,Weir S T,Vohra Y K,Maple MB2011Phys.Rev.B83 094528

[35]Takahashi H,Soeda H,NukiiM,Kawashima C,Nakanishi T,Iimura S,Muraba Y,Matsuishi S,HosonoH2015Sci.Rep.5 7829

[36]Sun L L,Dai X,Zhang C,Y iW,Chen G F,W ang N L,Zheng L R,Jiang Z,W ei X J,Huang Y Y,Yang J,Ren Z A,Lu W,Dong X L,Che G C,W u Q,D ing H,Liu J,Hu TD,ZhaoZ X 2010Europhys.Lett.91 57008

[37]Tamilselvan N R,Kanagaraj M,Murata K,YoshinoH,ArumugamS,Yamada A,UwatokoY,Kumararaman S 2014J.Supercond.Nov.Magn.27 1381

[38]Takeshita N,IyoA,Eisaki H,KitoH,ItoT2008J.Phys.Soc.Jpn.77 075003

[39]Takahashi H,Okada H,Igawa K,Kamihara Y,HiranoM,HosonoH2009Physica C469 413

[40]Takabayashi Y,McDonald MT,Papanikolaou D,Margadonna S,W u G,Liu R H,Chen X H,Prassides K2008J.Am.Chem.Soc.130 9242

[41]Lorenz B,Sasmal K,Chaudhu ry R P,Chen X H,Liu R H,W u T,Chu C W 2008Phys.Rev.B78 012505

[42]Zhou Y Z,Sidorov V A,Petrova AE,Penkov AA,Pinyagin AN,ZhaoZ X,Sun L L 2016J.Supercond.Nov.Magn.29 1105

[43]Selvan G K,Bhoi D,ArumugamS,Midya A,Mandal P 2015Supercond.Sci.Tech.28 015009

[44]Ju J,Huynh K,Tang J,Li Z F,W atahiki M,SatoK,Terasaki H,Ohtani E,Takizawa H,Tanigaki K2010J.Phys.Chem.Solids71 491

[45]Karpinski J,Zhigad loN D,Katrych S,Bukowski Z,Moll P,W eyeneth S,Keller H,Puzniak R,TortelloM,DagheroD,Gonnelli R,Maggio-Aprile I,FasanoY,Fischer O,Rogacki K,Batlogg B2009Physica C469 370

[46]Sasmal K,LüB,Lorenz B,Gu loy AM,Chen F,Xue Y Y,Chu C W 2008Phys.Rev.Lett.101 107007

[47]GokoT,Aczel AA,Baggio-Saitovitch E,Bud’koS L,Can field P C,CarloJ P,Chen G F,Dai P C,Hamann AC,Hu W Z,Kageyama H,Luke G M,LuoJ L,Nachumi B,N i N,Reznik D,Sanchez-Candela D R,Savici AT,Sikes KJ,W ang N L,W iebe C R,W illiams TJ,YamamotoT,Yu W,Uemura Y J 2009Phys.Rev.B80 024508

[48]ZhaoK,Liu Q Q,W ang X C,Deng Z,LüY X,Zhu J L,Li F Y,Jin C Q 2010J.Phys.:Condens.Matter22 222203

[49]Jeevan HS,Hossain Z,Kasinathan D,Rosner H,Geibel C,Gegenwart P 2008Phys.Rev.B78 092406

[50]Anupam,Pau lose P L,Jeevan HS,Geibel C,Hossain Z 2009J.Phys.:Condens.Matter21 265701

[51]Q i Y P,GaoZ S,W ang L,W ang D L,Zhang X P,Ma Y W 2008NewJ.Phys.10 123003

[52]Rotter M,PangerlM,Tegel M,Joh rend t D 2008Angew.Chem.In t.Edit.47 7949

[53]Zhang Z,W ang AF,Hong X C,Zhang J,Pan BY,Pan J,Xu Y,LuoX G,Chen X H,Li S Y 2015Phys.Rev.B91 024502

[54]Friederichs G M,Schellenberg I,Pottgen R,Duppel V,Kien le L,der Gueinne J S A,Joh rend t D 2012Inorg.Chem.51 8161

[55]Gooch M,LüB,Sasmal K,TappJ H,Tang Z J,Gu loy AM,Lorenz B,Chu C W 2010Physica C470 S276

[56]Tafti F F,Ouellet A,Juneau-Fecteau A,Faucher S,Lapointe-Ma jor M,Doiron-Ley raud N,W ang AF,LuoX G,Chen X H,Taillefer L 2015Phys.Rev.B91 054511

[57]Tafti F F,Juneau-Fecteau A,Delage ME,de Cotret S R,Reid J P,W ang AF,LuoX G,Chen X H,Doiron-Leyraud N,Taillefer L 2013Nat.Phys.9 349

[58]Tafti F F,C lancy J P,Lapointe-Ma jor M,Collignon C,Faucher S,Sears J A,Juneau-Fecteau A,Doiron-Ley raud N,W ang AF,LuoX G,Chen X H,Desgreniers S,KimY J,Taillefer L 2014Phys.Rev.B89 134502

[59]Tau fou r V,Foroozani N,Tanatar MA,LimJ,Kaluarachchi U,KimS K,Liu Y,LograssoTA,Kogan V G,Prozorov R,Bud’koS L,Schilling J S,Can field P C 2014Phys.Rev.B89 220509

[60]Terashima T,Kihou K,Sugii K,Kikugawa N,MatsumotoT,Ishida S,Lee C H,IyoA,Eisaki H,Uji S 2014Phys.Rev.B89 134520

[61]W ang P S,Zhou P,Dai J,Zhang J,D ing X X,Lin H,W en HH,Normand B,Yu R,Yu W Q 2016Phys.Rev.B93 085129

[62]Eilers F,G rube K,ZoccoD A,W olf T,Merz M,Schweiss P,Heid R,Eder R,Yu R,Zhu J X,Si Q M,Shibauchi T,Lohneysen HV 2016Phys.Rev.Lett.116 237003

[63]Naka jima Y,W ang R X,Metz T,W ang X F,W ang L M,Cynn H,W eir S T,Jeff ries J R,Paglione J 2015Phys.Rev.B91 060508

[64]Y ing J J,Tang L Y,Struzhkin V V,MaoHK,Gav riliuk AG,W ang AF,Chen X H,Chen X J 2015 arX ive:1501.00330[cond-mat.supr-con]

[65]W ang BS,Matsubayashi K,Cheng J G,Terashima T,Kihou K,Ishida S,Lee C H,IyoA,Eisaki H,UwatokoY 2016Phys.Rev.B94 020502(R)

[66]Stav rou E,Chen X J,Oganov AR,W ang AF,Yan Y J,LuoX G,Chen X H,Goncharov AF 2015Sci.Rep.5 9869

[67]Ronning F,Klimczuk T,Bauer E D,Volz H,Thompson J D 2008J.Phys.:Condens.Matter20 322201

[68]Ni N,Nandi S,Kreyssig A,Goldman AI,Mun E D,Bud’koS L,Can field P C 2008Phys.Rev.B78 014523

[69]Krellner C,Caroca-Canales N,Jesche A,Rosner H,Ormeci A,Geibel C 2008Phys.Rev.B78 100504

[70]Sefat AS,McGuire MA,Jin R,Sales BC,Mand rus D,Ronning F,Bauer E D,Mozharivsky j Y 2009Phys.Rev.B79 094508

[71]Rotter M,Tegel M,Joh rend t D,Schellenberg I,Hermes W,Pottgen R 2008Phys.Rev.B78 020503

[72]Sharma S,Bharathi A,Chand ra S,Reddy V R,Pau lra j S,Satya AT,Sastry V S,Gupta A,Sundar C S 2010Phys.Rev.B81 174512

[73]Sefat AS,Jin R Y,McGuire MA,Sales BC,Singh D J,Mand rus D 2008Phys.Rev.Lett.101 117004

[74]Li L J,LuoY K,W ang Q B,Chen H,Ren Z,TaoQ,Li Y K,Lin X,He M,Zhu Z W,CaoG H,Xu Z A2009NewJ.Phys.11 025008

[75]N i N,Thaler A,Kracher A,Yan J Q,Bud’koS L,Canfield P C 2009Phys.Rev.B80 024511

[76]Saha S R,D rye T,KirshenbaumK,Bu tch N P,Zavalij P Y,Paglione J 2010J.Phys.:Condens.Matter22 072204

[77]Leithe-Jasper A,Schnelle W,Geibel C,Rosner H2008Phys.Rev.Lett.101 207004

[78]Han F,Zhu X Y,Cheng P,Mu G,Jia Y,Fang L,W ang Y L,LuoHQ,Zeng B,Shen B,Shan L,Ren C,W en HH2009Phys.Rev.B80 024506

[79]Q i Y P,W ang L,GaoZ S,W ang D L,Zhang X P,Ma Y W 2009Physica C469 1921

[80]KirshenbaumK,Saha S R,D rye T,Paglione J 2010Phys.Rev.B82 144518

[81]Kumar N,Nagalakshmi R,Kulkarni R,Paulose P L,N igamAK,Dhar S K,Thamizhavel A2009Phys.Rev.B79 012504

[82]Q i Y P,Wang L,GaoZ S,Wang D L,Zhang X P,Wang C L,YaoC,Ma Y W 2011NewJ.Phys.13 033022

[83]Sefat AS 2011Rep.Prog.Phys.74 124502

[84]Kotegawa H,Kawazoe T,Sugawara H,Murata K,Tou H2009J.Phys.Soc.Jpn.78 083702

[85]Yu W,Aczel AA,W illiams TJ,Bud’koS L,Ni N,Can field P C,Luke G M2009Phys.Rev.B79 020511

[86]Colombier E,Bud’koS L,N iN,Can field P C 2009Phys.Rev.B79 224518

[87]Alireza P L,KoY TC,G illett J,Petrone C M,Cole JM,Lonzarich G G,Sebastian S E 2009J.Phys.:Condens.Matter21 012208

[88]Duncan W J,W elzel OP,Harrison C,W ang X F,Chen X H,G rosche F M,N ik lowitz P G 2010J.Phys.:Condens.Matter22 052201

[89]Fukazawa H,Takeshita N,Yamazaki T,KondoK,Hirayama K,KohoriY,Miyazawa K,KitoH,EisakiH,IyoA2008J.Phys.Soc.Jpn.77 105004

[90]Mani A,Ghosh N,Pau lra j S,Bharathi A,Sundar C S 2009Europhys.Lett.87 17004

[91]Matsubayashi K,Katayama N,Ohgushi K,Yamada A,Munakata K,MatsumotoT,UwatokoY 2009J.Phys.Soc.Jpn.78 073706

[92]Kimber S AJ,Kreyssig A,Zhang Y-Z,Jeschke HO,Valenti R,Yokaichiya F,Colombier E,Yan J,Hansen TC,Chatterji T,McQueeney R J,Can field P C,Goldman AI,Argyriou D N 2009Nat.Mater.8 471

[93]Kumar M,N ick las M,Jesche A,Caroca-Canales N,Schmitt M,Han fl and M,Kasinathan D,Schwarz U,Rosner H,Geibel C 2008Phys.Rev.B78 184516

[94]Igawa K,Okada H,TakahashiH,MatsuishiS,Kamihara Y,HiranoM,HosonoH,Matsubayashi K,UwatokoY 2009J.Phys.Soc.Jpn.78 025001

[95]Takahashi H,Okada H,Igawa K,Arii K,Kamihara Y,Matsuishi S,HiranoM,HosonoH,Matsubayashi K,UwatokoY 2008J.Phys.Soc.Jpn.77 78

[96]TorikachviliMS,Bud’koS L,N i N,Can field P C 2008Phys.Rev.Lett.101 057006

[97]Park T,Park E,Lee H,Klimczuk T,Bauer E D,Ronning F,Thompson J D 2008J.Phys.:Condens.Matter20 322204

[98]TorikachviliMS,Bud’koS L,Ni N,Can field P C,Hannahs S T2009Phys.Rev.B80 014521

[99]Lee H,Park E,Park T,Sidorov V A,Ronning F,Bauer E D,Thompson J D 2009Phys.Rev.B80 024519

[100]Kreyssig A,G reen MA,Lee Y,Samolyuk G D,Zajdel P,Lynn JW,Bud’koS L,TorikachviliMS,N iN,Nand i S,LeaoJ B,Pou lton S J,Argy riou D N,Harmon BN,McQueeney R J,Can field P C,Goldman AI2008Phys.Rev.B78 184517

[101]Ahilan K,Balasub ramaniamJ,N ing F L,Imai T,Sefat AS,Jin R,McGguire MA,Sales BC,Mand rus D 2008J.Phys.:Condens.Matter20 472201

[102]N iN,Thaler A,Yan JQ,Kracher A,Colombier E,Bud’koS L,Can field P C,Hannahs S T2010Phys.Rev.B82 024519

[103]Ahilan K,Ning F L,Imai T,Sefat AS,McGuire MA,Sales BC,Mand rus D 2009Phys.Rev.B79 214520

[104]Uhoya W,Tsoi G,Voh ra Y K,McGuire MA,Sefat AS,Sales BC,Mand rus D,Weir ST2010J.Phys.:Condens.Matter22 292202

[105]Miclea C F,N ick las M,Jeevan HS,Kasinathan D,Hossain Z,Rosner H,Gegenwart P,Geibel C,Steglich F 2009Phys.Rev.B79 212509

[106]Sun L L,GuoJ,Chen G F,Chen X H,Dong X L,Lu W,Zhang C,Jiang Z,Zou Y,Zhang S,Huang Y Y,W u Q,Dai X,Li Y C,Liu J,ZhaoZ X 2010Phys.Rev.B82 134509

[107]Terashima T,Kimata M,Satsukawa H,Harada A,Hazama K,Uji S,Suzuki HS,MatsumotoT,Mu rata K2009J.Phys.Soc.Jpn.78 083701

[108]Ren Z,TaoQ,Jiang S A,Feng C M,W ang C,Dai J H,CaoG H,Xu Z A2009Phys.Rev.Lett.102 137002

[109]Ren Z,Zhu ZW,Jiang S A,Xu X F,TaoQ,Wang C,Feng C M,CaoG H,Xu Z A2008Phys.Rev.B78 052501

[110]X iaoY,Su Y,Meven M,Mittal R,Kumar C MN,Chatterji T,Price S,Persson J,Kumar N,Dhar S K,Thamizhavel A,Brueckel T2009Phys.Rev.B80 174424

[111]GuoJ,W u Q,Feng J,Chen G F,Kagayama T,Zhang C,Y iW,Li Y C,Li X D,Liu J,Jiang Z,W ei X J,Huang Y Y,Shimizhu K,Sun L L,ZhaoZ X 2015Europhys.Lett.111 57007

[112]Kotegawa H,Kawazoe T,Tou H,Murata K,OginoH,KishioK,Shimoyama J 2009J.Phys.Soc.Jpn.78 123707

[113]SatoS,OginoH,Kawaguchi N,Katsu ra Y,KishioK,Shimoyama J,Kotegawa H,Tou H2010Supercond.Sci.Tech.23 045001

[114]Gooch M,LüB,TappJ H,Tang Z,Lorenz B,Gu loy AM,Chu P C W 2009Europhys.Lett.85 27005

[115]Zhang S J,W ang X C,Sammynaiken R,Tse J S,Yang L X,Li Z,Liu Q Q,Desgreniers S,YaoY,Liu HZ,Jin C Q 2009Phys.Rev.B80 014506

[116]Zhang S J,W ang X C,Liu Q Q,LüY X,Yu X H,Lin Z J,ZhaoY S,Wang L,Ding Y,MaoHK,Jin C Q 2009Europhys.Lett.88 47008

[117]Liu Q Q,Yu X H,W ang X C,Deng Z,LüY X,Zhu J L,Zhang S J,Liu HZ,Yang W G,Wang L,MaoHW,Shen G Y,Lu Z Y,Ren Y,Chen Z Q,Lin Z J,ZhaoY S,Jin C Q 2011J.Am.Chem.Soc.133 7892

[118]NiN,Allred JM,Chan BC,Cava R J 2011Proc.Natl.Acad.Sci.USA108 1019

[119]Lohnert C,Stu rzer T,Tegel M,Frankovsky R,Friederichs G,Johrend t D 2011Angew.Chem.Int.Edit.50 9195

[120]Sturzer T,Derondeau G,Joh rend t D 2012Phys.Rev.B86 060516

[121]ChoK,Tanatar MA,KimH,StraszheimW E,Ni N,Cava R J,Prozorov R 2012Phys.Rev.B85 020504

[122]Nohara M,Kakiya S,KudoK,OshiroY,Araki S,Kobayashi TC,Oku K,Nishibori E,Sawa H2012Solid State Commun.152 635

[123]Kakiya S,KudoK,NishikuboY,Oku K,Nishibori E,Sawa H,YamamotoT,Nozaka T,Nohara M2011J.Phys.Soc.Jpn.80 093704

[124]X iang Z J,LuoX G,Y ing J J,W ang X F,Yan Y J,W ang AF,Cheng P,Ye G J,Chen X H2012Phys.Rev.B85 224527

[125]Katayama N,KudoK,Onari S,Mizukami T,Sugawara K,Sugiyama Y,Kitahama Y,Iba K,Fu jimu ra K,NishimotoN,Nohara M,Sawa H2013J.Phys.Soc.Jpn.82 123702

[126]Kawasaki S,Mabuchi T,Maeda S,Adachi T,Mizukami T,KudoK,Nohara M,Zheng G Q 2015Phys.Rev.B92 180508

[127]Zhou Y,Jiang S,W u Q,Sidorov V A,GuoJ,Y i W,Zhang S,W ang Z,W ang H,CaiS,Yang K,Jiang S,Li A,N i N,Zhang G,Sun L,ZhaoZ 2016 arX ive:1603.05740[cond-mat.supr-con]

[128]SizooG J,Onnes HK1925Commun.Phys.Lab.Univ.Leiden180 13

PACS:74.25.–q,74.70.Xa,74.62.FjDOI:10.7498/aps.66.037402

Superconductivities of pressu rized iron pn ictide superconductors?

YiWei1)Wu Qi1)Sun Li-Ling1)2)?

1)(Institu te of Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(Received 13 December 2016;revised manuscript received 10 January 2017)

As one of the independent control parameters,pressure plays an important role in finding newphenomena,testing related theories and guiding the explorations for newsuperconductors.In this reviewarticle,we will briefl y reviewthe progress achieved fromhigh pressure studies on some main types of the iron pnictide superconductors,including 1111-type,122-type,111-type,10-3-8 type and 112-type.Afewtypical results fromhigh pressure studies are introduced in more detail,including the positive pressure eff ect on the superconducting transition temperature TCof 1111-type iron pnictide superconductors,which indicates a way toenhance the TCby using a smaller cation toreplay La ion;the maximumTCof iron pnictide superconductors estimated by high-pressure studies on a series of 1111-type iron-based superconductors etc.More importantly,high pressure studies on the parent compounds of iron pnictide superconductors clearly demonstrate that pressure can suppress the transition temperatures of magnetic order and crystal structure,and then d rive a superconducting transition.Furthermore,many examples are given in this reviewtoreveal howthe magnetic order competes with superconductivity under pressure,which provides newconstrains for the estab lishment of the theory on superconductivity.These high pressure resu lts are expected tobe helpful for the studies of high-TCsuperconductors and for the exploring of newsuperconductors.

high pressure,superconductivity,iron pnictide superconductors

10.7498/aps.66.037402

?國家自然科學基金(批準號:91321207,11427805)、中國科學院B類先導項目(批準號:XDB07020300)和國家重點研發計劃(批準號:2016YFA0300300)資助的課題.

?通信作者.E-mail:llsun@iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.91321207,11427805),the Strategic Priority Research Program(B)of the Chinese Academy of Sciences(G rant No.XDB07020300),and the National Key Research and Development Programof China(G rant No.2016YFA0300300).

?Corresponding author.E-mail:llsun@iphy.ac.cn