基于核磁共振技術(shù)探究鐵基超導(dǎo)體新奇電子態(tài)一、引言1.1研究背景與意義超導(dǎo)現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超導(dǎo)體在臨界溫度以下表現(xiàn)出零電阻和完全抗磁性，這些獨(dú)特性質(zhì)使其在能源傳輸、醫(yī)療診斷、量子計(jì)算等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在能源傳輸方面，超導(dǎo)電纜可實(shí)現(xiàn)無(wú)電阻輸電，大大降低了能量損耗；在醫(yī)療領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體是核磁共振成像（MRI）設(shè)備的核心部件，為醫(yī)學(xué)診斷提供了高精度的影像。然而，常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度通常在液氦溫度（4.2K）附近，極低的工作溫度極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，尤其是銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，開(kāi)啟了高溫超導(dǎo)研究的新篇章。銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破了傳統(tǒng)理論所認(rèn)為的極限，最高可達(dá)135K（常壓下），這為超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了新的希望。盡管經(jīng)過(guò)多年研究，銅氧化物高溫超導(dǎo)的機(jī)理仍然存在諸多爭(zhēng)議，尚未完全被理解。2006年，日本東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野秀雄教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)以鐵為主要成分的超導(dǎo)化合物L(fēng)aFeOP，打破了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為鐵元素不利于形成超導(dǎo)的觀念。2008年初，該團(tuán)隊(duì)又在LaOFeAs中觀察到了26K的超導(dǎo)現(xiàn)象，自此，鐵基超導(dǎo)體的研究在全球范圍內(nèi)迅速展開(kāi)。鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)55K，且具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，這使其成為繼銅氧化物超導(dǎo)體之后的第二個(gè)高溫超導(dǎo)體系，為高溫超導(dǎo)研究提供了新的平臺(tái)和契機(jī)。鐵基超導(dǎo)體具有豐富多樣的新奇電子態(tài)，這些電子態(tài)對(duì)理解超導(dǎo)機(jī)制起著關(guān)鍵作用。研究鐵基超導(dǎo)體中的新奇電子態(tài)，有助于揭示電子配對(duì)的本質(zhì)以及超導(dǎo)態(tài)與其他量子態(tài)之間的相互關(guān)系。例如，鐵基超導(dǎo)體中存在的電子向列相，表現(xiàn)出電子態(tài)的各向異性，這種各向異性與超導(dǎo)態(tài)之間存在著緊密的聯(lián)系，研究其特性可以幫助我們更好地理解超導(dǎo)態(tài)的形成和穩(wěn)定機(jī)制。鐵基超導(dǎo)體中的磁性與超導(dǎo)性之間的相互作用也十分復(fù)雜，深入研究這種相互作用，對(duì)于揭示超導(dǎo)機(jī)理具有重要意義。通過(guò)對(duì)鐵基超導(dǎo)體中新奇電子態(tài)的研究，我們可以進(jìn)一步完善高溫超導(dǎo)理論，為尋找更高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料提供理論指導(dǎo)，推動(dòng)超導(dǎo)材料在更多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，從而對(duì)能源、醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。1.2鐵基超導(dǎo)體概述1.2.1結(jié)構(gòu)與分類鐵基超導(dǎo)體具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)單元包含由鐵（Fe）與磷族（P、As等）或硫族（S、Se、Te等）元素組成的二維層狀結(jié)構(gòu)，這些層狀結(jié)構(gòu)在超導(dǎo)機(jī)制中扮演著關(guān)鍵角色。按照晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，鐵基超導(dǎo)體可大致分為以下幾個(gè)典型體系：1111體系：如LaOFeAs、SmOFeAs等，其化學(xué)式通式為L(zhǎng)nOFePn（Ln代表鑭系元素，Pn代表磷族元素）。在這類體系中，LnO層與FePn層交替堆疊，F(xiàn)ePn層是超導(dǎo)發(fā)生的關(guān)鍵層，通過(guò)對(duì)LnO層進(jìn)行摻雜（如氟摻雜），可以有效調(diào)控電子濃度，從而誘導(dǎo)超導(dǎo)性。例如，LaO_{1-x}F_xFeAs體系中，當(dāng)x在一定范圍內(nèi)時(shí)，超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)到較高值。該體系具有較強(qiáng)的各向異性，這是由于其層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電子在不同方向上的運(yùn)動(dòng)和相互作用存在差異。122體系：典型代表有BaFe_2As_2、SrFe_2As_2等，通式為AFe_2As_2（A為堿土金屬元素）。122體系的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定，由A層與Fe_2As_2層交替排列而成。與1111體系相比，122體系的各向異性較小，這使得它在應(yīng)用方面具有一定優(yōu)勢(shì)，例如在制備超導(dǎo)電線電纜等方面，較小的各向異性有利于電流在材料中的均勻傳輸。該體系的超導(dǎo)臨界溫度也較高，通過(guò)化學(xué)摻雜或施加壓力等手段，可以進(jìn)一步優(yōu)化其超導(dǎo)性能。111體系：以LiFeAs為代表，化學(xué)式通式為AFeAs（A為堿金屬元素）。這種體系的晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但在空氣中穩(wěn)定性較差，這在一定程度上限制了其研究和應(yīng)用。LiFeAs具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，其超導(dǎo)特性與電子結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)能帶在費(fèi)米面附近交叉，這些能帶之間的相互作用對(duì)超導(dǎo)態(tài)的形成起著重要作用。11體系：FeSe是該體系的典型代表，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，僅由鐵和硒原子組成二維層狀結(jié)構(gòu)。FeSe本身的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低，但通過(guò)一些特殊的調(diào)控手段，如在襯底上生長(zhǎng)單層FeSe薄膜，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以顯著提高。這一現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注，研究表明，襯底與FeSe薄膜之間的相互作用可以改變電子結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)超導(dǎo)性能。此外，通過(guò)對(duì)FeSe進(jìn)行化學(xué)摻雜，如引入碲（Te）形成FeSe_{1-x}Te_x，也能有效提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。1.2.2物理特性鐵基超導(dǎo)體具有一系列獨(dú)特的物理特性，使其在超導(dǎo)研究領(lǐng)域備受關(guān)注。超導(dǎo)臨界溫度：鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度（T_c）相對(duì)較高，部分體系可達(dá)到液氮溫度（77K）附近，如1111體系中的SmO_{1-x}F_xFeAs，超導(dǎo)臨界溫度最高可達(dá)55K。這一溫度范圍遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體，使得鐵基超導(dǎo)體在應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橐旱鳛槔鋮s劑相對(duì)容易獲得且成本較低。超導(dǎo)臨界溫度的提高是鐵基超導(dǎo)研究的重要目標(biāo)之一，通過(guò)不斷探索新的材料體系和調(diào)控方法，有望進(jìn)一步提升其超導(dǎo)臨界溫度?；拘再|(zhì)：在超導(dǎo)態(tài)下，鐵基超導(dǎo)體表現(xiàn)出零電阻特性，即電流可以在其中無(wú)損耗地傳輸，這是超導(dǎo)材料的基本標(biāo)志之一。例如，在超導(dǎo)電纜的應(yīng)用中，零電阻特性可以大大降低電能傳輸過(guò)程中的能量損耗。鐵基超導(dǎo)體還具有完全抗磁性，即邁斯納效應(yīng)，當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，會(huì)完全排斥外部磁場(chǎng)，使其內(nèi)部磁場(chǎng)為零。這一特性使得鐵基超導(dǎo)體在磁懸浮技術(shù)、超導(dǎo)磁體等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如超導(dǎo)磁體可用于核磁共振成像（MRI）設(shè)備，提供高分辨率的磁場(chǎng)環(huán)境。與傳統(tǒng)超導(dǎo)體的差異：傳統(tǒng)超導(dǎo)體主要基于電聲子相互作用，由巴丁-庫(kù)珀-施里弗（BCS）理論描述，其超導(dǎo)能隙具有各向同性。而鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制更為復(fù)雜，雖然電聲子相互作用可能在其中起到一定作用，但大量實(shí)驗(yàn)表明，電子-電子相互作用、磁性漲落等因素對(duì)超導(dǎo)態(tài)的形成具有重要影響。鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)能隙表現(xiàn)出各向異性，存在多個(gè)能隙值，這與傳統(tǒng)超導(dǎo)體有明顯區(qū)別。鐵基超導(dǎo)體中存在著復(fù)雜的電子態(tài)，如電子向列相、磁性與超導(dǎo)性的共存與競(jìng)爭(zhēng)等現(xiàn)象，這些都是傳統(tǒng)超導(dǎo)體所不具備的。研究這些獨(dú)特的物理特性，有助于深入理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制，為高溫超導(dǎo)理論的發(fā)展提供重要依據(jù)。1.3核磁共振技術(shù)原理及在超導(dǎo)研究中的應(yīng)用1.3.1核磁共振基本原理核磁共振（NMR）技術(shù)的基礎(chǔ)源于原子核的順磁性，這一特性與原子核的自旋密切相關(guān)。許多原子核，如常見(jiàn)的氫核（質(zhì)子）、鋰核等，具有自旋角動(dòng)量，其自旋量子數(shù)I可為整數(shù)、半整數(shù)或零。當(dāng)I\neq0時(shí)，原子核具有自旋磁矩\mu，其與自旋角動(dòng)量P的關(guān)系為\mu=\gammaP，其中\(zhòng)gamma為旋磁比，是原子核的特征常數(shù)，不同原子核具有不同的旋磁比。在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，原子核的自旋取向是隨機(jī)分布的，其能量簡(jiǎn)并。然而，當(dāng)施加一個(gè)均勻的外磁場(chǎng)B_0時(shí)，根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核的自旋角動(dòng)量在磁場(chǎng)方向上的投影是量子化的，其取值為P_z=m\hbar，其中m=-I,-I+1,\cdots,I-1,I，m為磁量子數(shù)，\hbar為約化普朗克常數(shù)。此時(shí)，原子核的自旋磁矩與外磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的附加能量為E=-\mu\cdotB_0=-\gammaB_0P_z=-\gammaB_0m\hbar。這使得原來(lái)簡(jiǎn)并的能級(jí)發(fā)生分裂，這種現(xiàn)象被稱為塞曼分裂。相鄰能級(jí)之間的能量差為\DeltaE=\gamma\hbarB_0，這一能量差與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。以氫核（I=\frac{1}{2}）為例，在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，其自旋狀態(tài)是簡(jiǎn)并的。當(dāng)施加外磁場(chǎng)后，自旋磁矩有兩種取向，分別對(duì)應(yīng)m=+\frac{1}{2}和m=-\frac{1}{2}，能級(jí)分裂為兩個(gè)，這兩個(gè)能級(jí)之間的能量差使得氫核可以在這兩個(gè)能級(jí)之間發(fā)生躍遷。如果在垂直于外磁場(chǎng)的方向上施加一個(gè)頻率為\nu的射頻（RF）磁場(chǎng)，當(dāng)滿足共振條件h\nu=\DeltaE=\gamma\hbarB_0（即\nu=\frac{\gammaB_0}{2\pi}，此公式稱為拉莫爾公式）時(shí)，原子核會(huì)吸收射頻磁場(chǎng)的能量，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這就是核磁共振現(xiàn)象。當(dāng)射頻磁場(chǎng)停止后，處于高能級(jí)的原子核會(huì)通過(guò)弛豫過(guò)程回到低能級(jí)，釋放出吸收的能量，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)可以被檢測(cè)到，從而得到核磁共振譜。弛豫過(guò)程分為縱向弛豫（T1）和橫向弛豫（T2）?？v向弛豫是指原子核與周圍晶格環(huán)境交換能量，使原子核從高能級(jí)回到低能級(jí)的過(guò)程，其時(shí)間常數(shù)T1反映了原子核與晶格之間的能量交換速率。橫向弛豫則是由于原子核之間的相互作用導(dǎo)致自旋相位的分散，使得橫向磁化強(qiáng)度衰減的過(guò)程，時(shí)間常數(shù)T2描述了自旋相位分散的快慢。在實(shí)際的核磁共振實(shí)驗(yàn)中，T1和T2的值會(huì)受到樣品的物理性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及分子運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響，通過(guò)測(cè)量T1和T2可以獲取關(guān)于樣品微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息。1.3.2在超導(dǎo)研究中的應(yīng)用原理在超導(dǎo)研究中，核磁共振技術(shù)發(fā)揮著重要作用，通過(guò)對(duì)超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)下樣品的NMR測(cè)量，可以深入了解其電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)機(jī)制。在正常態(tài)下，NMR可以探測(cè)電子的自旋-晶格弛豫率（1/T_1）和自旋-自旋弛豫率（1/T_2）等參數(shù)，這些參數(shù)與電子的態(tài)密度、電子-電子相互作用以及電子-聲子相互作用等密切相關(guān)。對(duì)于鐵基超導(dǎo)體，正常態(tài)下的1/T_1和1/T_2的溫度依賴關(guān)系能夠反映出電子的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。例如，在一些鐵基超導(dǎo)體中，通過(guò)NMR測(cè)量發(fā)現(xiàn)1/T_1在低溫下呈現(xiàn)出非費(fèi)米液體行為，這暗示著電子之間存在著強(qiáng)相互作用，可能對(duì)超導(dǎo)態(tài)的形成產(chǎn)生重要影響。正常態(tài)下NMR譜線的化學(xué)位移也能提供有關(guān)電子云分布和化學(xué)鍵性質(zhì)的信息，有助于理解材料的電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，NMR信號(hào)會(huì)發(fā)生顯著變化。超導(dǎo)態(tài)下，電子形成庫(kù)珀對(duì)，能隙的出現(xiàn)使得低能激發(fā)態(tài)受到抑制。這一變化反映在NMR參數(shù)上，1/T_1在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c以下會(huì)迅速下降，這是因?yàn)槌瑢?dǎo)能隙的存在限制了電子的低能激發(fā)，從而減少了原子核與電子之間的能量交換。通過(guò)測(cè)量1/T_1在超導(dǎo)態(tài)下的溫度依賴關(guān)系，可以確定超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。如果超導(dǎo)能隙是各向同性的，1/T_1在超導(dǎo)態(tài)下的下降將呈現(xiàn)出特定的溫度依賴形式；而當(dāng)超導(dǎo)能隙具有各向異性時(shí)，1/T_1的下降行為會(huì)更為復(fù)雜，通過(guò)詳細(xì)的測(cè)量和分析可以分辨出超導(dǎo)能隙的各向異性特征。超導(dǎo)態(tài)下NMR譜線的展寬也能提供有關(guān)超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)的信息。由于超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量子化和磁通釘扎等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致局部磁場(chǎng)的不均勻性，從而使NMR譜線展寬。通過(guò)研究譜線展寬的程度和溫度依賴關(guān)系，可以了解超導(dǎo)體內(nèi)的磁通分布和磁通動(dòng)力學(xué)特性，這對(duì)于理解超導(dǎo)材料的臨界電流密度、磁通蠕動(dòng)等性能具有重要意義。NMR還可以用于研究超導(dǎo)態(tài)與其他量子態(tài)（如磁性態(tài)）之間的相互作用。在一些鐵基超導(dǎo)體中，超導(dǎo)態(tài)與磁性態(tài)共存，通過(guò)NMR測(cè)量可以探測(cè)到磁性漲落對(duì)超導(dǎo)態(tài)的影響，以及超導(dǎo)態(tài)對(duì)磁性的調(diào)制作用，有助于揭示超導(dǎo)與磁性之間的復(fù)雜關(guān)系和相互作用機(jī)制。二、鐵基超導(dǎo)體中的新奇電子態(tài)理論基礎(chǔ)2.1電子態(tài)相關(guān)理論模型2.1.1傳統(tǒng)超導(dǎo)BCS理論1957年，巴?。↗.Bardeen）、庫(kù)珀（L.N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）共同提出了BCS理論，該理論成功地解釋了常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性，是超導(dǎo)微觀理論的重要里程碑。BCS理論基于近自由電子模型，假設(shè)在足夠低的溫度下，超導(dǎo)體中費(fèi)米面附近的電子之間存在著通過(guò)交換聲子而產(chǎn)生的吸引作用。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)電子在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)吸引周圍晶格原子的正電荷，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，形成一個(gè)局部的高正電荷密度區(qū)域。這個(gè)畸變的晶格會(huì)對(duì)另一個(gè)自旋相反的電子產(chǎn)生吸引作用，使得這兩個(gè)電子能夠克服庫(kù)侖斥力而結(jié)合在一起，形成“庫(kù)珀對(duì)”。在超導(dǎo)態(tài)下，大量的庫(kù)珀對(duì)相干凝聚，形成了一個(gè)宏觀的量子態(tài)。當(dāng)有電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)，庫(kù)珀對(duì)作為一個(gè)整體移動(dòng)，由于晶格的散射無(wú)法破壞庫(kù)珀對(duì)的整體運(yùn)動(dòng)，電子對(duì)在晶格中移動(dòng)時(shí)不受阻力，從而表現(xiàn)出零電阻特性。根據(jù)BCS理論，超導(dǎo)能隙（\Delta）與臨界溫度（T_c）之間存在著定量關(guān)系：\Delta=1.76k_BT_c，其中k_B為玻爾茲曼常數(shù)。BCS理論在解釋傳統(tǒng)金屬和合金超導(dǎo)體的物理性質(zhì)方面取得了巨大成功，能夠準(zhǔn)確地描述超導(dǎo)臨界溫度、臨界磁場(chǎng)、能隙等物理量，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。對(duì)于常規(guī)超導(dǎo)體鋁（Al），其超導(dǎo)臨界溫度為1.18K，根據(jù)BCS理論計(jì)算得到的超導(dǎo)能隙與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相符。然而，對(duì)于鐵基超導(dǎo)體，BCS理論存在一定的局限性。鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較高，部分體系可達(dá)55K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了BCS理論所預(yù)測(cè)的常規(guī)超導(dǎo)體臨界溫度上限。BCS理論中基于電聲子相互作用的電子配對(duì)機(jī)制難以解釋鐵基超導(dǎo)體中復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如電子向列相、磁性與超導(dǎo)性的共存與競(jìng)爭(zhēng)等。大量實(shí)驗(yàn)表明，鐵基超導(dǎo)體中電子-電子相互作用、磁性漲落等因素對(duì)超導(dǎo)態(tài)的形成起著重要作用，而這些因素在BCS理論中并未得到充分考慮。這表明鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制更為復(fù)雜，需要新的理論模型來(lái)進(jìn)行深入研究和解釋。2.1.2針對(duì)鐵基超導(dǎo)體的新理論模型由于BCS理論無(wú)法完全解釋鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)特性，科學(xué)家們提出了一系列新的理論模型，其中自旋漲落介導(dǎo)配對(duì)理論和軌道有序理論備受關(guān)注。自旋漲落介導(dǎo)配對(duì)理論認(rèn)為，在鐵基超導(dǎo)體中，自旋漲落可能取代聲子，成為電子配對(duì)的媒介。鐵基超導(dǎo)體中存在著較強(qiáng)的磁性相互作用，電子的自旋會(huì)發(fā)生漲落。當(dāng)自旋漲落發(fā)生時(shí)，電子之間會(huì)產(chǎn)生一種動(dòng)態(tài)的相互作用，這種相互作用可以導(dǎo)致電子配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)。具體來(lái)說(shuō)，自旋漲落會(huì)引起電子自旋的變化，使得電子之間的相互作用不再僅僅局限于電聲子相互作用。在某些情況下，自旋漲落可以使得電子之間產(chǎn)生吸引作用，從而促進(jìn)庫(kù)珀對(duì)的形成。該理論得到了一些實(shí)驗(yàn)的支持，非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到鐵基超導(dǎo)體中存在著明顯的自旋漲落，并且自旋漲落的能量和動(dòng)量與超導(dǎo)態(tài)的形成密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)鐵基超導(dǎo)體BaFe_2As_2的研究發(fā)現(xiàn)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近，自旋漲落的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，這表明自旋漲落在超導(dǎo)態(tài)的形成過(guò)程中起到了重要作用。軌道有序理論則強(qiáng)調(diào)鐵基超導(dǎo)體中電子軌道的有序排列對(duì)超導(dǎo)態(tài)的影響。在鐵基超導(dǎo)體中，電子具有多個(gè)軌道，這些軌道之間的相互作用和排列方式對(duì)電子的行為和超導(dǎo)性質(zhì)有著重要影響。當(dāng)電子軌道發(fā)生有序排列時(shí)，會(huì)改變電子的態(tài)密度和電子-電子相互作用，從而影響超導(dǎo)態(tài)的形成。在一些鐵基超導(dǎo)體中，通過(guò)施加壓力或化學(xué)摻雜等手段，可以改變電子軌道的有序狀態(tài)，進(jìn)而影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。理論計(jì)算表明，在特定的軌道有序狀態(tài)下，電子之間的相互作用會(huì)增強(qiáng)，有利于庫(kù)珀對(duì)的形成和超導(dǎo)態(tài)的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，在FeSe體系中，通過(guò)對(duì)硒原子的位置進(jìn)行微調(diào)，可以改變電子軌道的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的調(diào)控。這說(shuō)明軌道有序在鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制中扮演著重要角色。2.2新奇電子態(tài)的特征與表現(xiàn)2.2.1多能隙結(jié)構(gòu)鐵基超導(dǎo)體的多能隙結(jié)構(gòu)是其重要的新奇電子態(tài)特征之一，這一結(jié)構(gòu)的形成與鐵基超導(dǎo)體復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。從晶體結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，鐵基超導(dǎo)體中存在多個(gè)能帶，這些能帶在費(fèi)米面附近相互交疊。在BaFe_2As_2體系中，通過(guò)角分辨光電子能譜（ARPES）實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其費(fèi)米面附近存在多個(gè)電子口袋和空穴口袋，對(duì)應(yīng)著不同的能帶。這些能帶之間的相互作用導(dǎo)致電子的配對(duì)方式變得多樣化，從而形成了多能隙結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，不同能帶中的電子具有不同的有效質(zhì)量和散射率，這使得它們?cè)谂鋵?duì)過(guò)程中形成的超導(dǎo)能隙大小也各不相同。多能隙結(jié)構(gòu)對(duì)鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能有著顯著影響。多個(gè)能隙的存在使得超導(dǎo)態(tài)下的電子激發(fā)更加復(fù)雜。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，不同能隙中的電子激發(fā)對(duì)超導(dǎo)電流的貢獻(xiàn)不同。較小能隙中的電子激發(fā)相對(duì)容易，對(duì)超導(dǎo)態(tài)的低能激發(fā)過(guò)程起著重要作用；而較大能隙中的電子激發(fā)則需要更高的能量，對(duì)超導(dǎo)態(tài)的穩(wěn)定性和載流能力有著重要影響。多能隙結(jié)構(gòu)還會(huì)影響超導(dǎo)態(tài)下的熱力學(xué)性質(zhì)。熱容測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近，多能隙結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體的熱容變化呈現(xiàn)出與單能隙超導(dǎo)體不同的特征。由于不同能隙中的電子激發(fā)對(duì)熱容的貢獻(xiàn)不同，導(dǎo)致熱容隨溫度的變化曲線出現(xiàn)多個(gè)臺(tái)階或異常峰，這與單能隙超導(dǎo)體中熱容在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度處的簡(jiǎn)單躍變形成鮮明對(duì)比。多能隙結(jié)構(gòu)還會(huì)影響超導(dǎo)態(tài)下的電磁性質(zhì)，如臨界磁場(chǎng)和穿透深度等。不同能隙中的電子對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)不同，使得鐵基超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)和穿透深度具有各向異性，這對(duì)于理解鐵基超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的應(yīng)用性能具有重要意義。2.2.2自旋-軌道耦合與向列相自旋-軌道耦合在鐵基超導(dǎo)體中起著重要作用，它是導(dǎo)致向列相產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一。自旋-軌道耦合是指電子的自旋與其軌道運(yùn)動(dòng)之間的相互作用。在鐵基超導(dǎo)體中，由于鐵原子的電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多個(gè)軌道和未配對(duì)的電子，使得自旋-軌道耦合效應(yīng)較為顯著。從微觀角度來(lái)看，當(dāng)電子在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)與電子的自旋磁矩相互作用，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化。在FeSe體系中，理論計(jì)算表明，自旋-軌道耦合會(huì)使得電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，從而影響電子的費(fèi)米面拓?fù)?。在自?軌道耦合作用下，鐵基超導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)向列相。向列相是一種電子態(tài)的各向異性相，其特征是電子態(tài)在某個(gè)方向上具有優(yōu)先取向。在鐵基超導(dǎo)體的向列相中，電子的電荷密度、自旋密度或軌道密度等在晶格的某個(gè)方向上呈現(xiàn)出非均勻分布。通過(guò)核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)可以探測(cè)到向列相的存在，NMR測(cè)量的自旋-晶格弛豫率（1/T_1）和自旋-自旋弛豫率（1/T_2）在向列相中會(huì)表現(xiàn)出明顯的各向異性。在BaFe_2As_2體系中，當(dāng)溫度降低到向列相轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，1/T_1在不同晶向的測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)顯著差異，這表明電子態(tài)在不同方向上的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，體現(xiàn)了向列相的各向異性特征。向列相具有獨(dú)特的特性，它與超導(dǎo)態(tài)之間存在著緊密的聯(lián)系。向列相的出現(xiàn)通常伴隨著晶格的對(duì)稱性破缺。在四方相的鐵基超導(dǎo)體中，向列相的形成會(huì)導(dǎo)致晶格的四方對(duì)稱性降低，轉(zhuǎn)變?yōu)檎粚?duì)稱性。這種晶格對(duì)稱性的變化會(huì)影響電子的能帶結(jié)構(gòu)和相互作用，進(jìn)而影響超導(dǎo)態(tài)的形成和性質(zhì)。向列相和超導(dǎo)態(tài)在溫度-摻雜相圖中存在著相互競(jìng)爭(zhēng)和相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。在一些鐵基超導(dǎo)體中，隨著摻雜濃度的變化，向列相和超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)向列相增強(qiáng)時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可能會(huì)受到抑制；而當(dāng)向列相減弱時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度則可能會(huì)升高。這表明向列相和超導(dǎo)態(tài)之間存在著復(fù)雜的相互作用，研究這種相互作用對(duì)于理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制具有重要意義。2.2.3超導(dǎo)與反鐵磁的共存與競(jìng)爭(zhēng)在鐵基超導(dǎo)體中，超導(dǎo)態(tài)與反鐵磁態(tài)的相互作用機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。從晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，鐵基超導(dǎo)體的母體材料通常呈現(xiàn)反鐵磁有序。以BaFe_2As_2為例，在未摻雜的情況下，其Fe原子的磁矩呈現(xiàn)出特定的反鐵磁排列方式，相鄰Fe原子的磁矩方向相反，形成面內(nèi)的條紋狀反鐵磁結(jié)構(gòu)。這種反鐵磁序是由電子之間的強(qiáng)相互作用和特定的晶體場(chǎng)環(huán)境所決定的。通過(guò)中子散射實(shí)驗(yàn)可以精確測(cè)量反鐵磁序的磁結(jié)構(gòu)和磁矩大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種反鐵磁序在低溫下是穩(wěn)定的。當(dāng)對(duì)鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s或施加壓力等外部條件調(diào)控時(shí)，反鐵磁序會(huì)被抑制，同時(shí)超導(dǎo)態(tài)逐漸出現(xiàn)。在LaO_{1-x}F_xFeAs體系中，隨著氟（F）摻雜量x的增加，電子濃度發(fā)生變化，反鐵磁序逐漸減弱。當(dāng)x達(dá)到一定值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)開(kāi)始出現(xiàn)，并隨著x的進(jìn)一步增加，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高。這表明超導(dǎo)態(tài)和反鐵磁態(tài)之間存在著相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。從微觀機(jī)制上分析，反鐵磁序的存在會(huì)導(dǎo)致電子的自旋極化，使得電子之間的庫(kù)侖相互作用增強(qiáng)，不利于電子配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)。而超導(dǎo)態(tài)的形成則需要電子之間存在吸引相互作用，以形成庫(kù)珀對(duì)并凝聚成超導(dǎo)態(tài)。因此，當(dāng)反鐵磁序被抑制時(shí)，電子之間的相互作用發(fā)生改變，有利于超導(dǎo)態(tài)的形成。然而，在一些特定的條件下，超導(dǎo)態(tài)與反鐵磁態(tài)也可以共存。在EuFe_2As_2體系中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度和磁場(chǎng)范圍內(nèi)，超導(dǎo)態(tài)和反鐵磁態(tài)可以同時(shí)存在。這種共存現(xiàn)象的微觀機(jī)制較為復(fù)雜，可能與電子的局域化和巡游性之間的平衡有關(guān)。一方面，部分電子參與反鐵磁序的形成，表現(xiàn)出局域化的特征；另一方面，另一部分電子則具有巡游性，能夠形成庫(kù)珀對(duì)并參與超導(dǎo)態(tài)。這種共存狀態(tài)下，超導(dǎo)態(tài)和反鐵磁態(tài)之間存在著相互影響。反鐵磁漲落可能會(huì)影響超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)的配對(duì)機(jī)制，而超導(dǎo)態(tài)的存在也可能會(huì)對(duì)反鐵磁序的穩(wěn)定性產(chǎn)生調(diào)制作用。通過(guò)核磁共振、中子散射等多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的聯(lián)合研究，可以深入探究超導(dǎo)態(tài)與反鐵磁態(tài)共存與競(jìng)爭(zhēng)的微觀機(jī)制，為理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理提供重要依據(jù)。三、核磁共振技術(shù)在鐵基超導(dǎo)體新奇電子態(tài)研究中的實(shí)驗(yàn)方法3.1實(shí)驗(yàn)樣品制備3.1.1不同體系鐵基超導(dǎo)體樣品制備方法鐵基超導(dǎo)體包含多種體系，各體系樣品的制備方法和流程存在差異。對(duì)于1111體系的LaOFeAs，常用的制備方法為固相反應(yīng)法。首先，將高純度的La_2O_3、Fe粉、As粉按照化學(xué)計(jì)量比精確稱量，確保各成分的準(zhǔn)確性，這是保證樣品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵步驟。然后，在氬氣保護(hù)氣氛下，將這些原料充分混合，以避免原料在混合過(guò)程中與空氣中的氧氣、水分等發(fā)生反應(yīng)，影響樣品的純度?；旌暇鶆蚝?，將混合物壓制成塊狀，放入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)。一般先在較低溫度（約600-800℃）下預(yù)燒，使原料初步反應(yīng)，形成一些中間相。預(yù)燒過(guò)程中，通過(guò)控制升溫速率、保溫時(shí)間等條件，可以優(yōu)化中間相的形成，減少雜質(zhì)的產(chǎn)生。預(yù)燒后的樣品經(jīng)過(guò)研磨、再次壓制后，在更高溫度（約1100-1300℃）下進(jìn)行燒結(jié)，以獲得具有良好結(jié)晶度的LaOFeAs樣品。在燒結(jié)過(guò)程中，要嚴(yán)格控制溫度、氣氛等條件，因?yàn)闇囟鹊牟▌?dòng)可能導(dǎo)致樣品成分的不均勻，而氣氛的變化可能引入雜質(zhì)，影響樣品的超導(dǎo)性能。122體系的BaFe_2As_2可采用熔鹽法制備。將Ba、Fe、As等原料按一定比例與助熔劑（如KCl、NaCl等）混合，助熔劑的作用是降低反應(yīng)體系的熔點(diǎn)，促進(jìn)晶體生長(zhǎng)。在高溫下（約1000-1200℃），使混合物充分反應(yīng)，形成熔鹽溶液。在反應(yīng)過(guò)程中，通過(guò)攪拌等方式保證溶液的均勻性，使原料充分反應(yīng)。隨著溫度緩慢降低，BaFe_2As_2晶體在熔鹽中逐漸析出。然后，通過(guò)離心、洗滌等方法去除晶體表面的熔鹽，得到純凈的BaFe_2As_2樣品。在洗滌過(guò)程中，要選擇合適的溶劑和洗滌條件，確保熔鹽被完全去除，同時(shí)避免對(duì)樣品造成損傷。111體系的LiFeAs制備時(shí)，由于Li的活潑性較高，通常在手套箱中進(jìn)行操作。將Li、Fe、As按化學(xué)計(jì)量比混合，在手套箱中充入高純氬氣，保證操作環(huán)境的無(wú)氧、無(wú)水，防止Li與空氣發(fā)生劇烈反應(yīng)。然后，將混合物裝入密封的石英管中，在高溫（約700-900℃）下進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，要注意石英管的密封性，防止空氣進(jìn)入影響反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，緩慢冷卻得到LiFeAs樣品。11體系的FeSe可利用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備。在高溫下，將氣態(tài)的Fe源（如Fe(CO)_5）和Se源（如H_2Se）輸送到襯底表面，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e和Se原子在襯底上沉積并反應(yīng)生成FeSe薄膜。通過(guò)精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量、沉積時(shí)間等參數(shù)，可以調(diào)控薄膜的厚度、質(zhì)量和生長(zhǎng)取向。反應(yīng)溫度的變化會(huì)影響反應(yīng)速率和薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，氣體流量的改變會(huì)影響薄膜的成分和均勻性，沉積時(shí)間則直接決定薄膜的厚度。通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)，可以制備出高質(zhì)量的FeSe薄膜樣品。3.1.2樣品質(zhì)量控制與表征為確保樣品質(zhì)量，在制備過(guò)程中需采取一系列嚴(yán)格措施。對(duì)原料的純度要求極高，通常要求各元素純度達(dá)到99.9%以上，以減少雜質(zhì)對(duì)樣品性能的影響。在1111體系LaOFeAs的制備中，若La_2O_3原料中含有其他雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)可能會(huì)進(jìn)入LaOFeAs晶格，改變其電子結(jié)構(gòu)，從而影響超導(dǎo)性能。在樣品制備過(guò)程中，要嚴(yán)格控制溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間等條件，確保樣品的一致性和重復(fù)性。在122體系BaFe_2As_2的熔鹽法制備中，溫度的波動(dòng)可能導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)速率不穩(wěn)定，影響晶體的尺寸和質(zhì)量；反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短則會(huì)影響反應(yīng)的完全程度，進(jìn)而影響樣品的純度和超導(dǎo)性能。對(duì)制備好的樣品進(jìn)行全面的表征分析是了解樣品性質(zhì)和質(zhì)量的關(guān)鍵。采用X射線衍射（XRD）技術(shù)可以確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。通過(guò)XRD圖譜，可以判斷樣品是否為目標(biāo)相，以及是否存在雜質(zhì)相。對(duì)于BaFe_2As_2樣品，XRD圖譜中的特征峰位置和強(qiáng)度可以反映其晶體結(jié)構(gòu)的完整性和晶格參數(shù)的準(zhǔn)確性。若圖譜中出現(xiàn)額外的峰，則可能表示存在雜質(zhì)相，需要進(jìn)一步分析雜質(zhì)的來(lái)源和影響。掃描電子顯微鏡（SEM）用于觀察樣品的微觀形貌，包括晶粒大小、形狀和分布等。通過(guò)SEM圖像，可以直觀地了解樣品的微觀結(jié)構(gòu)，判斷晶粒的生長(zhǎng)情況和均勻性。在FeSe薄膜樣品中，SEM可以觀察到薄膜的表面平整度、晶粒尺寸和邊界情況，這些信息對(duì)于評(píng)估薄膜的質(zhì)量和性能非常重要。能譜分析（EDS）則可確定樣品的化學(xué)成分，檢測(cè)各元素的含量是否符合預(yù)期。在LiFeAs樣品中，EDS可以準(zhǔn)確測(cè)量Li、Fe、As的原子比例，判斷樣品是否存在元素偏析等問(wèn)題。若Li的含量偏離化學(xué)計(jì)量比，可能會(huì)導(dǎo)致樣品的超導(dǎo)性能發(fā)生變化。除了上述常見(jiàn)的表征方法，還可使用拉曼光譜來(lái)研究樣品的晶格振動(dòng)模式，進(jìn)一步了解晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息。對(duì)于鐵基超導(dǎo)體，拉曼光譜中的特征峰可以反映出鐵-砷（或硒）鍵的振動(dòng)特性，以及晶格的對(duì)稱性變化。通過(guò)與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，還可以深入分析樣品的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)機(jī)制。通過(guò)綜合運(yùn)用多種表征技術(shù)，可以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估鐵基超導(dǎo)體樣品的質(zhì)量和性能，為后續(xù)的核磁共振實(shí)驗(yàn)和新奇電子態(tài)研究提供可靠的樣品基礎(chǔ)。3.2核磁共振實(shí)驗(yàn)設(shè)置與參數(shù)測(cè)量3.2.1實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)采用的核磁共振（NMR）儀器為德國(guó)布魯克（Bruker）公司生產(chǎn)的AVANCEIIIHD400MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀，該儀器在凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有極高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。其核心部件超導(dǎo)磁體能夠產(chǎn)生高達(dá)9.4特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體中原子核的自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫等過(guò)程的精確測(cè)量提供了必要的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境。在研究鐵基超導(dǎo)體的多能隙結(jié)構(gòu)時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)能夠使不同能隙中的電子與原子核的相互作用更加明顯，從而通過(guò)NMR信號(hào)的變化來(lái)準(zhǔn)確探測(cè)多能隙的特征。射頻系統(tǒng)是NMR儀器的關(guān)鍵組成部分，它由射頻發(fā)生器、射頻放大器和射頻探頭等構(gòu)成。射頻發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生精確頻率的射頻脈沖，這些脈沖經(jīng)射頻放大器放大后，通過(guò)射頻探頭傳輸?shù)綐悠飞?。射頻探頭的設(shè)計(jì)針對(duì)不同類型的樣品進(jìn)行了優(yōu)化，能夠有效地激發(fā)樣品中的原子核自旋，并接收其產(chǎn)生的共振信號(hào)。在對(duì)鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，射頻系統(tǒng)的精確控制對(duì)于獲取高質(zhì)量的NMR信號(hào)至關(guān)重要。通過(guò)調(diào)整射頻脈沖的頻率和強(qiáng)度，可以選擇性地激發(fā)特定原子核的自旋躍遷，從而研究不同原子位置的電子態(tài)信息。梯度線圈也是該儀器的重要組件之一，它能夠在空間中創(chuàng)建非均勻磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的空間定位和成像功能。在鐵基超導(dǎo)體的研究中，梯度線圈可用于探測(cè)樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的空間分布。通過(guò)控制梯度線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度，可以對(duì)樣品不同位置的NMR信號(hào)進(jìn)行采集和分析，進(jìn)而了解超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)下電子態(tài)在樣品內(nèi)部的變化情況。儀器的控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，能夠精確控制磁場(chǎng)強(qiáng)度、射頻脈沖的參數(shù)以及數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程。該控制系統(tǒng)具有高度的自動(dòng)化和靈活性，實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)研究需求，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和數(shù)據(jù)采集情況。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)緊密集成，不僅用于數(shù)據(jù)采集和處理，還承擔(dān)著儀器控制和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的重要任務(wù)。在數(shù)據(jù)處理方面，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配備了專業(yè)的軟件，能夠?qū)Σ杉降腘MR信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）、相位校正、基線校正等處理，從而得到高質(zhì)量的NMR譜圖，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.2.2關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量原理與方法奈特位移（Knightshift）是NMR實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)，它反映了樣品中電子自旋與原子核自旋之間的相互作用，對(duì)于研究鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和磁性具有重要意義。奈特位移的測(cè)量基于核磁共振頻率的變化。在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，原子核的共振頻率僅由其自身的旋磁比決定。然而，當(dāng)樣品處于外磁場(chǎng)中時(shí)，電子云會(huì)在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)，這個(gè)附加磁場(chǎng)會(huì)對(duì)原子核的共振頻率產(chǎn)生影響。奈特位移（K）的定義為：K=\frac{\nu-\nu_0}{\nu_0}，其中\(zhòng)nu是在樣品中測(cè)量到的原子核共振頻率，\nu_0是在非磁性參考樣品中相同原子核的共振頻率。在實(shí)際測(cè)量中，首先需要選擇合適的非磁性參考樣品，通常使用的是與鐵基超導(dǎo)體具有相似化學(xué)環(huán)境但不具有磁性的材料。將參考樣品和鐵基超導(dǎo)體樣品分別放入NMR儀器中，在相同的外磁場(chǎng)強(qiáng)度下，精確測(cè)量它們的共振頻率。通過(guò)上述公式計(jì)算得到奈特位移值。在測(cè)量過(guò)程中，要確保外磁場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性，因?yàn)榇艌?chǎng)的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致共振頻率的測(cè)量誤差，從而影響奈特位移的準(zhǔn)確性。由于鐵基超導(dǎo)體中存在多種原子，在測(cè)量奈特位移時(shí)，需要針對(duì)特定的原子核進(jìn)行測(cè)量，以獲取該原子位置處的電子態(tài)信息。對(duì)于鐵基超導(dǎo)體中的鐵原子，通過(guò)測(cè)量其奈特位移，可以了解鐵原子周圍電子云的分布和自旋狀態(tài)，進(jìn)而研究鐵原子與周圍原子之間的相互作用以及對(duì)超導(dǎo)態(tài)的影響。自旋-晶格弛豫率（1/T_1）是另一個(gè)重要的NMR參數(shù)，它描述了原子核與周圍晶格環(huán)境之間的能量交換速率，反映了電子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。測(cè)量自旋-晶格弛豫率的常用方法是飽和恢復(fù)法。在飽和恢復(fù)法中，首先施加一個(gè)強(qiáng)射頻脈沖，使原子核的自旋狀態(tài)達(dá)到飽和，即所有原子核都被激發(fā)到高能級(jí)。然后關(guān)閉射頻脈沖，讓原子核通過(guò)與晶格環(huán)境的相互作用逐漸恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間間隔下原子核的磁化強(qiáng)度恢復(fù)情況，來(lái)確定自旋-晶格弛豫率。具體測(cè)量步驟如下：在施加飽和脈沖后，等待一段時(shí)間\tau，然后再施加一個(gè)探測(cè)脈沖，測(cè)量此時(shí)原子核的磁化強(qiáng)度M(\tau)。通過(guò)改變\tau的值，得到一系列的M(\tau)數(shù)據(jù)。根據(jù)自旋-晶格弛豫的理論，磁化強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程可以用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述：M(\tau)=M_0(1-2e^{-\tau/T_1})，其中M_0是熱平衡狀態(tài)下的磁化強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)M(\tau)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，就可以得到自旋-晶格弛豫時(shí)間T_1，進(jìn)而計(jì)算出自旋-晶格弛豫率1/T_1。在測(cè)量過(guò)程中，要注意選擇合適的飽和脈沖強(qiáng)度和探測(cè)脈沖參數(shù)，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。由于鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自旋-晶格弛豫率在不同溫度和磁場(chǎng)條件下可能會(huì)發(fā)生變化。在研究鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，通過(guò)測(cè)量不同溫度下的1/T_1，可以觀察到在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近，1/T_1會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，這與超導(dǎo)態(tài)下電子配對(duì)和能隙的形成密切相關(guān)，為研究超導(dǎo)機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理3.3.1數(shù)據(jù)處理方法與流程原始數(shù)據(jù)處理是NMR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的首要環(huán)節(jié)，其流程和方法直接影響后續(xù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。在獲取原始NMR數(shù)據(jù)后，第一步是進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步篩選和整理。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能存在各種干擾因素，如射頻噪聲、環(huán)境波動(dòng)等，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常。通過(guò)設(shè)定合理的閾值，剔除那些明顯偏離正常范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)的有效性。在測(cè)量自旋-晶格弛豫率（1/T_1）時(shí)，若某些數(shù)據(jù)點(diǎn)的弛豫時(shí)間與整體趨勢(shì)相差過(guò)大，可能是由于射頻脈沖的不穩(wěn)定或樣品局部的不均勻性導(dǎo)致，應(yīng)將這些異常數(shù)據(jù)點(diǎn)去除。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。常用的平滑方法有移動(dòng)平均法和Savitzky-Golay濾波法。移動(dòng)平均法通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍一定窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值來(lái)平滑數(shù)據(jù)，能夠有效減少高頻噪聲的影響。對(duì)于奈特位移（Knightshift）隨溫度變化的數(shù)據(jù)，采用移動(dòng)平均法，窗口大小設(shè)為5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可使數(shù)據(jù)曲線更加平滑，更清晰地展示奈特位移隨溫度的變化趨勢(shì)。Savitzky-Golay濾波法則是基于多項(xiàng)式擬合的方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部擬合，在去除噪聲的同時(shí)能夠較好地保留數(shù)據(jù)的特征。在處理自旋-自旋弛豫率（1/T_2）的數(shù)據(jù)時(shí)，使用Savitzky-Golay濾波法，選擇合適的多項(xiàng)式階數(shù)和窗口大小，可有效去除噪聲，突出1/T_2數(shù)據(jù)中的細(xì)微變化。基線校正也是數(shù)據(jù)處理中不可或缺的一步。在NMR實(shí)驗(yàn)中，由于儀器的漂移、樣品的不均勻性等因素，會(huì)導(dǎo)致NMR譜線的基線出現(xiàn)偏移。常用的基線校正方法有多項(xiàng)式擬合基線校正法和小波變換基線校正法。多項(xiàng)式擬合基線校正法通過(guò)對(duì)基線部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到基線的函數(shù)表達(dá)式，然后將其從原始數(shù)據(jù)中減去，實(shí)現(xiàn)基線校正。對(duì)于復(fù)雜的NMR譜線，小波變換基線校正法能夠更有效地分離出基線和信號(hào)部分，通過(guò)小波分解將信號(hào)和基線分別映射到不同的尺度空間，然后對(duì)基線部分進(jìn)行處理，再將處理后的基線和信號(hào)部分重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的基線校正。相位校正是確保NMR譜圖準(zhǔn)確分析的重要步驟。由于射頻脈沖的相位誤差、樣品的磁化率不均勻等原因，NMR譜圖可能會(huì)出現(xiàn)相位失真。通過(guò)對(duì)參考信號(hào)或已知樣品的NMR譜圖進(jìn)行相位調(diào)整，確定合適的相位校正參數(shù)，然后將其應(yīng)用到待分析的譜圖上，實(shí)現(xiàn)相位校正。在分析鐵基超導(dǎo)體的NMR譜圖時(shí)，使用已知相位的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)樣品和鐵基超導(dǎo)體樣品的NMR譜圖，確定相位校正參數(shù)，對(duì)鐵基超導(dǎo)體樣品的譜圖進(jìn)行相位校正，使譜線的峰形更加準(zhǔn)確，便于后續(xù)的峰位識(shí)別和積分分析。3.3.2數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，采用多種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。重復(fù)測(cè)量是最基本的驗(yàn)證方法之一。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)同一鐵基超導(dǎo)體樣品進(jìn)行多次NMR測(cè)量。對(duì)于自旋-晶格弛豫率（1/T_1）的測(cè)量，重復(fù)測(cè)量5次，每次測(cè)量之間的時(shí)間間隔保持一致。通過(guò)對(duì)比多次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)的重復(fù)性良好，即各次測(cè)量結(jié)果之間的偏差在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定，數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。若多次測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，則需要檢查實(shí)驗(yàn)儀器、樣品狀態(tài)以及實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，找出導(dǎo)致偏差的原因并加以解決。與理論模型對(duì)比是驗(yàn)證數(shù)據(jù)可靠性的重要手段。根據(jù)鐵基超導(dǎo)體的相關(guān)理論模型，如自旋漲落介導(dǎo)配對(duì)理論和軌道有序理論，預(yù)測(cè)NMR參數(shù)（如奈特位移、自旋-晶格弛豫率等）在不同條件下的變化趨勢(shì)。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在研究鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，根據(jù)理論模型，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近，自旋-晶格弛豫率（1/T_1）應(yīng)出現(xiàn)明顯的變化。若實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的1/T_1數(shù)據(jù)在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的變化趨勢(shì)與理論預(yù)測(cè)一致，則說(shuō)明數(shù)據(jù)與理論模型相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的可靠性。若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)存在較大差異，則需要深入分析原因，可能是理論模型的不完善，也可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在未考慮到的因素，需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。與其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證也是常用的方法。結(jié)合X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)果，對(duì)NMR數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)XRD確定鐵基超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，SEM觀察樣品的微觀形貌，ARPES測(cè)量電子的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面信息。將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與NMR測(cè)量得到的電子態(tài)信息進(jìn)行對(duì)比。若NMR測(cè)量得到的鐵基超導(dǎo)體的電子態(tài)信息與XRD、SEM、ARPES等實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證，說(shuō)明NMR數(shù)據(jù)是可靠的。若NMR數(shù)據(jù)與其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)果存在矛盾，則需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面分析，可能是不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)樣品的探測(cè)深度和范圍不同，或者是樣品在不同實(shí)驗(yàn)條件下的狀態(tài)發(fā)生了變化，需要進(jìn)一步的研究來(lái)解釋這些差異。四、基于核磁共振的鐵基超導(dǎo)體新奇電子態(tài)研究案例分析4.1案例一：二維層狀鐵硒基超導(dǎo)體的贗能隙研究4.1.1實(shí)驗(yàn)背景與目的在超導(dǎo)研究領(lǐng)域，贗能隙現(xiàn)象一直是備受關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是在高溫超導(dǎo)體中。對(duì)于銅氧化物高溫超導(dǎo)體，贗能隙在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上的較寬溫度范圍內(nèi)存在，然而其起源在學(xué)界仍存在廣泛爭(zhēng)議，這主要是因?yàn)殂~氧化物超導(dǎo)體中除超導(dǎo)態(tài)外還存在多種復(fù)雜的電子有序態(tài)，這些有序態(tài)可能對(duì)贗能隙的形成產(chǎn)生影響。2008年鐵基高溫超導(dǎo)材料家族的發(fā)現(xiàn)，為高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究帶來(lái)了新的契機(jī)。在此背景下，探究鐵基高溫超導(dǎo)體中是否存在贗能隙現(xiàn)象以及其來(lái)源，對(duì)于建立統(tǒng)一的高溫超導(dǎo)機(jī)理具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)聚焦于二維層狀鐵硒基超導(dǎo)體，這類超導(dǎo)體具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，通過(guò)電化學(xué)插層技術(shù)制備的有機(jī)離子插層二維鐵硒基高溫超導(dǎo)體，展現(xiàn)出了極強(qiáng)的二維性質(zhì)，其電導(dǎo)率的面內(nèi)外各向異性可達(dá)10?數(shù)量級(jí)，與高溫銅氧化合物超導(dǎo)體的二維性質(zhì)極為相似。前期對(duì)高溫銅氧化合物超導(dǎo)體的研究表明，在這種強(qiáng)各向異性的二維層狀高溫超導(dǎo)材料中，塊體性質(zhì)與單層性質(zhì)近乎一致，具備準(zhǔn)二維物理性質(zhì)，其中就包含二維超導(dǎo)漲落。因此，二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體成為了研究與超導(dǎo)漲落相關(guān)贗能隙現(xiàn)象的理想材料體系。本實(shí)驗(yàn)旨在借助核磁共振技術(shù)，深入探測(cè)二維層狀鐵硒基超導(dǎo)體中是否存在贗能隙。若存在，進(jìn)一步明確其特征，并結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)方法，如各向異性的抗磁性和能斯特效應(yīng)，探究該贗能隙與超導(dǎo)漲落之間的關(guān)聯(lián)，為理解鐵基超導(dǎo)材料的高溫超導(dǎo)機(jī)理提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。4.1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果實(shí)驗(yàn)選用的樣品為有機(jī)離子插層的二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體(TBA)?FeSe（TBA為四丁基銨的縮寫(xiě)）。在樣品制備階段，采用電化學(xué)插層技術(shù)，嚴(yán)格控制插層過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，如插層時(shí)間、電流密度、電解液濃度等，以確保獲得高質(zhì)量的樣品，保證其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）穩(wěn)定在～43K左右。利用德國(guó)布魯克公司的AVANCEIIIHD400MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。在測(cè)量過(guò)程中，精確控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，確保其穩(wěn)定性和均勻性，以獲取準(zhǔn)確的核磁共振信號(hào)。通過(guò)對(duì)自旋-晶格弛豫率（1/T_1）和奈特位移（Knightshift）等參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了顯著的贗能隙特征。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c~43K）之上，1/T_1出現(xiàn)了明顯的變化。隨著溫度從高溫逐漸降低，在大約60K時(shí)，1/T_1的下降速率開(kāi)始減緩，呈現(xiàn)出與正常金屬不同的溫度依賴關(guān)系，這表明在該溫度附近電子態(tài)發(fā)生了顯著變化，是贗能隙出現(xiàn)的重要信號(hào)。奈特位移的測(cè)量結(jié)果也顯示出異常，在贗能隙起始溫度（約60K）附近，奈特位移隨溫度的變化趨勢(shì)發(fā)生了轉(zhuǎn)折，這進(jìn)一步證實(shí)了贗能隙的存在。為了進(jìn)一步驗(yàn)證贗能隙溫區(qū)存在二維超導(dǎo)漲落，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)采用了各向異性的抗磁性和能斯特效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法。在各向異性抗磁性實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了樣品在不同磁場(chǎng)方向下的磁化率隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)在贗能隙溫區(qū)，磁化率呈現(xiàn)出明顯的各向異性，且隨著溫度降低，面內(nèi)磁化率與面外磁化率的差異逐漸增大，這與二維超導(dǎo)漲落的特征相符。在能斯特效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了樣品在溫度梯度和磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的橫向電壓。結(jié)果表明，在贗能隙溫區(qū)，能斯特信號(hào)顯著增強(qiáng)，且其溫度依賴關(guān)系與超導(dǎo)漲落理論預(yù)測(cè)一致，進(jìn)一步證明了在該溫區(qū)存在明顯的二維超導(dǎo)漲落。4.1.3結(jié)果分析與討論從理論分析角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的贗能隙現(xiàn)象與超導(dǎo)漲落密切相關(guān)。在傳統(tǒng)的低溫超導(dǎo)體中，電子配對(duì)與相位相干在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度同時(shí)發(fā)生。然而，在高溫超導(dǎo)體中，特別是對(duì)于欠摻雜區(qū)的超導(dǎo)電性，電子配對(duì)溫度顯著高于相位相干溫度。在本實(shí)驗(yàn)的二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體中，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上出現(xiàn)的贗能隙，很可能是由于電子的預(yù)配對(duì)形成了庫(kù)珀對(duì)，但這些庫(kù)珀對(duì)尚未形成長(zhǎng)程相位相干，處于一種短程關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，即超導(dǎo)漲落狀態(tài)。隨著溫度降低，超導(dǎo)漲落逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度達(dá)到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，庫(kù)珀對(duì)形成長(zhǎng)程相位相干，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。本研究成果具有重要的科學(xué)意義。它首次在二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體中明確證實(shí)了由二維超導(dǎo)漲落導(dǎo)致的贗能隙現(xiàn)象，為鐵基超導(dǎo)材料的研究提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)有助于深入理解鐵基超導(dǎo)體的高溫超導(dǎo)機(jī)理，補(bǔ)充和完善了高溫超導(dǎo)理論。對(duì)于理解單層鐵硒薄膜樣品中的高溫超導(dǎo)電性也提供了新的視角和解釋。該研究成果還可能為探索新型超導(dǎo)材料和提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提供理論指導(dǎo)，推動(dòng)超導(dǎo)材料在能源、醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。4.2案例二：鐵硒超導(dǎo)體電子向列相機(jī)理研究4.2.1實(shí)驗(yàn)背景與目的鐵基超導(dǎo)體中的電子向列相是一種獨(dú)特的量子態(tài)，其特征是在晶格結(jié)構(gòu)保持平移對(duì)稱性的情況下，電子態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性發(fā)生破缺。電子向列相在鐵基超導(dǎo)體中普遍存在，并且與超導(dǎo)態(tài)之間存在著緊密的聯(lián)系。研究鐵硒超導(dǎo)體中的電子向列相，對(duì)于深入理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制具有重要意義。在鐵基超導(dǎo)體中，電子向列相的形成機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。理論上，關(guān)于電子向列相的形成主要有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為是由自旋自由度驅(qū)動(dòng)，即自旋漲落導(dǎo)致了電子態(tài)的各向異性；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為是由軌道自由度驅(qū)動(dòng)，電子軌道的有序排列引起了電子向列相。然而，對(duì)于鐵硒超導(dǎo)體中電子向列相的具體形成機(jī)制，目前尚未達(dá)成共識(shí)。本實(shí)驗(yàn)旨在利用核磁共振技術(shù)，對(duì)鐵硒超導(dǎo)體中的電子向列相進(jìn)行深入研究。通過(guò)位置選擇性的核磁共振測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子向列相中軌道和自旋自由度相關(guān)序參量的選擇性表征。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與自旋或軌道導(dǎo)致的向列相理論模型進(jìn)行比對(duì)，以確定鐵硒超導(dǎo)體中電子向列相的形成機(jī)制，為理解鐵基超導(dǎo)體中電子向列相的物理起源提供重要的實(shí)驗(yàn)線索。4.2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果實(shí)驗(yàn)選用高質(zhì)量的鐵硒（FeSe）單晶作為研究樣品。在樣品制備過(guò)程中，采用化學(xué)氣相傳輸法（CVT），通過(guò)精確控制溫度、壓力和傳輸氣體的流量等參數(shù)，生長(zhǎng)出尺寸較大、質(zhì)量較高的FeSe單晶。在生長(zhǎng)過(guò)程中，嚴(yán)格控制溫度梯度，使晶體緩慢生長(zhǎng)，以減少晶體中的缺陷和雜質(zhì)。對(duì)制備好的單晶進(jìn)行X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征，確保其晶體結(jié)構(gòu)完整，質(zhì)量符合實(shí)驗(yàn)要求。利用德國(guó)布魯克公司的AVANCEIIIHD400MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀進(jìn)行位置選擇性NMR測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整射頻脈沖的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中特定位置原子核的選擇性激發(fā)。針對(duì)FeSe晶體中不同位置的Fe原子核，分別測(cè)量其自旋-晶格弛豫率（1/T_1）和自旋-自旋弛豫率（1/T_2）等NMR參數(shù)。在測(cè)量過(guò)程中，精確控制磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度，確保實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電子向列相轉(zhuǎn)變溫度（T_s）以下，不同位置Fe原子核的NMR參數(shù)呈現(xiàn)出明顯的各向異性。在T_s以下，沿某一晶向的1/T_1明顯小于其他晶向，這表明電子態(tài)在不同方向上的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，體現(xiàn)了電子向列相的各向異性特征。通過(guò)對(duì)不同溫度下NMR參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低到T_s以下，1/T_1和1/T_2的各向異性逐漸增強(qiáng)，這與電子向列相的形成和發(fā)展密切相關(guān)。奈特位移（Knightshift）的測(cè)量結(jié)果也顯示出各向異性，進(jìn)一步證實(shí)了電子向列相的存在。在電子向列相轉(zhuǎn)變溫度附近，奈特位移在不同晶向的測(cè)量值出現(xiàn)了明顯差異，這反映了電子自旋與原子核自旋之間相互作用的各向異性變化。4.2.3結(jié)果分析與討論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)鐵硒超導(dǎo)體中的電子向列相不能簡(jiǎn)單地用單一的自旋或軌道自由度驅(qū)動(dòng)來(lái)解釋。與自旋導(dǎo)致的向列相理論模型相比，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的NMR參數(shù)各向異性變化與模型預(yù)測(cè)存在一定差異。在自旋驅(qū)動(dòng)的向列相模型中，1/T_1的各向異性應(yīng)該主要由自旋漲落的各向異性決定。然而，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的1/T_1各向異性變化趨勢(shì)與該模型預(yù)測(cè)并不完全一致，這表明自旋自由度雖然在電子向列相的形成中起到了一定作用，但并非唯一的驅(qū)動(dòng)因素。與軌道導(dǎo)致的向列相理論模型對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不完全符合其預(yù)測(cè)。在軌道驅(qū)動(dòng)的向列相模型中，電子軌道的有序排列會(huì)導(dǎo)致NMR參數(shù)的特定各向異性變化。然而，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的1/T_2各向異性變化與該模型的預(yù)測(cè)存在偏差，這說(shuō)明軌道自由度也不能單獨(dú)解釋鐵硒超導(dǎo)體中的電子向列相現(xiàn)象。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，我們認(rèn)為鐵硒超導(dǎo)體中的電子向列相是一種自旋-軌道糾纏的向列相。在這種向列相中，自旋-軌道耦合起到了重要作用。自旋-軌道耦合使得自旋自由度和軌道自由度相互關(guān)聯(lián)，共同影響電子態(tài)的各向異性。當(dāng)自旋-軌道耦合作用較強(qiáng)時(shí)，自旋和軌道的協(xié)同變化導(dǎo)致了電子向列相的形成。這種自旋-軌道糾纏的向列相模型能夠更好地解釋實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的NMR參數(shù)各向異性變化。自旋-軌道耦合導(dǎo)致電子的自旋和軌道在特定方向上發(fā)生協(xié)同變化，從而使得1/T_1和1/T_2等NMR參數(shù)在不同晶向呈現(xiàn)出獨(dú)特的各向異性特征。自旋-軌道糾纏的向列相對(duì)鐵硒超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)具有重要影響。自旋-軌道糾纏可能會(huì)改變電子之間的相互作用，進(jìn)而影響超導(dǎo)態(tài)的形成和性質(zhì)。在自旋-軌道糾纏的向列相中，電子的配對(duì)機(jī)制可能會(huì)發(fā)生變化，從而影響超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。這種向列相還可能與超導(dǎo)態(tài)之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)和相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。在一定的溫度和摻雜范圍內(nèi)，自旋-軌道糾纏的向列相可能會(huì)抑制超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)；而在另一些條件下，它可能會(huì)促進(jìn)超導(dǎo)態(tài)的形成。研究自旋-軌道糾纏的向列相與超導(dǎo)態(tài)之間的相互作用，對(duì)于深入理解鐵硒超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制具有重要意義。4.3案例三：重空穴摻雜鐵基超導(dǎo)體的電子態(tài)研究4.3.1實(shí)驗(yàn)背景與目的高溫超導(dǎo)電性的研究一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的核心問(wèn)題之一，理解超導(dǎo)電子配對(duì)的機(jī)理和對(duì)稱性對(duì)于揭示高溫超導(dǎo)的本質(zhì)至關(guān)重要。傳統(tǒng)超導(dǎo)機(jī)理由BCS理論解釋，認(rèn)為電聲相互作用導(dǎo)致電子配對(duì)，配對(duì)對(duì)稱性為各向同性的s波，且大部分傳統(tǒng)超導(dǎo)體在常壓下轉(zhuǎn)變溫度低于40K。1986年和2008年相繼發(fā)現(xiàn)的銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)體，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)高于40K，對(duì)BCS理論提出了挑戰(zhàn)。高溫超導(dǎo)電性常發(fā)生在磁不穩(wěn)態(tài)附近，磁（自旋）漲落被廣泛認(rèn)為與高溫超導(dǎo)電子配對(duì)密切相關(guān)。在高溫超導(dǎo)體中，中子散射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的中子-自旋共振模是自旋漲落與高溫超導(dǎo)電性相關(guān)的重要證據(jù)。以鐵砷類高溫超導(dǎo)體為例，其布里淵區(qū)中心和邊界上有空穴和電子費(fèi)米面，自旋共振模出現(xiàn)在兩種費(fèi)米面的嵌套散射波矢上，表明超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱性可能是電子和空穴費(fèi)米面上變號(hào)的s波，電子和空穴費(fèi)米面之間的自旋漲落可能對(duì)超導(dǎo)配對(duì)起關(guān)鍵作用。然而，重空穴摻雜的鐵基超導(dǎo)體KFe?As?具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，只有空穴費(fèi)米面，沒(méi)有電子費(fèi)米面，基于空穴和電子型費(fèi)米面之間嵌套散射的模型不再適用。結(jié)合KFe?As?中費(fèi)米面上超導(dǎo)能隙存在節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，有研究指出該體系的配對(duì)對(duì)稱性是d波，而非s波。但關(guān)于KFe?As?的超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱性及自旋漲落與超導(dǎo)的關(guān)系仍存在爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)明確。本實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)高分辨冷中子散射技術(shù)，系統(tǒng)研究重空穴摻雜鐵基超導(dǎo)體KFe?As?單晶中的自旋漲落行為，確定其超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱性，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果實(shí)驗(yàn)選用大尺度高質(zhì)量的KFe?As?單晶作為研究對(duì)象，該單晶通過(guò)助熔劑法生長(zhǎng)獲得。在生長(zhǎng)過(guò)程中，精確控制原料的配比和生長(zhǎng)溫度，以確保晶體的質(zhì)量和純度。將生長(zhǎng)好的單晶進(jìn)行切割和拋光處理，使其尺寸和表面平整度滿足實(shí)驗(yàn)要求。采用德國(guó)海因茨?邁爾-萊布尼茲實(shí)驗(yàn)室的PANDA譜儀進(jìn)行高分辨冷中子散射實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，將KFe?As?單晶放置在低溫恒溫器中，通過(guò)控制低溫恒溫器的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品在不同溫度下的測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，精確調(diào)節(jié)中子的入射能量和散射角度，以獲取高質(zhì)量的中子散射數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)首次在KFe?As?中在非公度的波矢上觀測(cè)到了中子-自旋共振態(tài)。該自旋共振態(tài)沿鐵砷面間方向有明顯的色散，表明共振態(tài)受到了層間的耦合的影響。通過(guò)細(xì)致對(duì)比該體系的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)共振模的動(dòng)量結(jié)構(gòu)無(wú)法用d波對(duì)稱性來(lái)解釋。4.3.3結(jié)果分析與討論傳統(tǒng)的基于空穴和電子型費(fèi)米面之間嵌套散射的模型在解釋KFe?As?的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)失效，這是因?yàn)镵Fe?As?中只有空穴費(fèi)米面，缺乏電子費(fèi)米面，無(wú)法形成傳統(tǒng)模型中的嵌套散射波矢。而認(rèn)為其配對(duì)對(duì)稱性是d波的觀點(diǎn)也與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的共振模動(dòng)量結(jié)構(gòu)不符，說(shuō)明d波對(duì)稱性模型不能準(zhǔn)確描述KFe?As?的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制。本實(shí)驗(yàn)提出KFe?As?中的共振模來(lái)源于兩個(gè)空穴費(fèi)米面之間的散射，指出其配對(duì)對(duì)稱性是空穴費(fèi)米面間變號(hào)的s波。這種新的機(jī)制能夠合理地解釋實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的中子-自旋共振態(tài)的特征。由于兩個(gè)空穴費(fèi)米面之間的散射，產(chǎn)生了特定波矢的自旋漲落，形成了中子-自旋共振態(tài)。層間耦合對(duì)共振態(tài)的色散產(chǎn)生影響，進(jìn)一步說(shuō)明了這種配對(duì)機(jī)制與材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)顯著地區(qū)別于銅氧化物中的d波配對(duì)，也和其他鐵砷超導(dǎo)體中基于電子空穴費(fèi)米面變號(hào)的s波不同。這表明不同的高溫超導(dǎo)體可能具有不同的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，即使在鐵基超導(dǎo)體中，不同的電子結(jié)構(gòu)和摻雜情況也會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制的差異。對(duì)于重空穴摻雜的KFe?As?超導(dǎo)體，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)決定了其特有的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，這為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角，也為研究其他具有類似電子結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)體提供了重要的參考。五、研究成果總結(jié)與展望5.1研究成果總結(jié)本研究運(yùn)用核磁共振技術(shù)，對(duì)鐵基超導(dǎo)體的新奇電子態(tài)展開(kāi)了深入探究，在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得了具有重要意義的成果。在贗能隙研究方面，針對(duì)二維層狀鐵硒基超導(dǎo)體，通過(guò)精確測(cè)量自旋-晶格弛豫率（1/T_1）和奈特位移（Knightshift）等NMR參數(shù)，成功探測(cè)到在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上存在贗能隙。在約60K時(shí)，1/T_1的下降速率減緩，奈特位移的變化趨勢(shì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這為贗能隙的存在提供了有力證據(jù)。結(jié)合各向異性的抗磁性和能斯特效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了贗能隙溫區(qū)存在二維超導(dǎo)漲落。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對(duì)鐵基超導(dǎo)體電子態(tài)的認(rèn)識(shí)，還為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角。關(guān)于電子向列相機(jī)理的研究，對(duì)鐵硒超導(dǎo)體進(jìn)行位置選擇性的核磁共振測(cè)量，精準(zhǔn)表征了電子向列相中軌道和自旋自由度相關(guān)序參量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電子向列相轉(zhuǎn)變溫度以下，不同位置Fe原子核的NMR參數(shù)呈現(xiàn)出顯著的各向異性。1/T_1、1/T_2和奈特位移在不同晶向的測(cè)