應(yīng)力與摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的理論模擬及協(xié)同調(diào)控研究一、引言1.1研究背景與意義自2008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)首個(gè)鐵基超導(dǎo)體LaFeOP以來，鐵基超導(dǎo)體迅速成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這類超導(dǎo)體打破了長(zhǎng)期以來鐵元素不利于形成超導(dǎo)的傳統(tǒng)觀念，其臨界溫度突破了傳統(tǒng)BCS理論預(yù)言的麥克米蘭極限（39K），部分體系的臨界溫度甚至接近或超過液氮溫度（77K），在電力傳輸、磁懸浮交通、量子計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在鐵基超導(dǎo)體中，磁相變與超導(dǎo)態(tài)密切相關(guān)。理解鐵基超導(dǎo)體中的磁相變機(jī)制以及如何調(diào)控磁相變以優(yōu)化超導(dǎo)性能，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究的核心問題之一。磁相變?cè)阼F基超導(dǎo)體中起著關(guān)鍵作用，它與超導(dǎo)態(tài)往往相互競(jìng)爭(zhēng)又相互關(guān)聯(lián)。在未摻雜的母體中，鐵基超導(dǎo)體通常呈現(xiàn)出反鐵磁有序態(tài)。隨著摻雜或外界條件的變化，體系會(huì)從反鐵磁態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。這種磁相變與超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系，蘊(yùn)含著鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)制的重要信息。例如，研究發(fā)現(xiàn)反鐵磁漲落可能在電子配對(duì)過程中起到媒介作用，從而促進(jìn)超導(dǎo)態(tài)的形成。應(yīng)力和摻雜作為調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變和超導(dǎo)性能的重要手段，受到了廣泛的關(guān)注。應(yīng)力可以通過改變晶體的晶格結(jié)構(gòu)和原子間距，進(jìn)而改變電子的能帶結(jié)構(gòu)和電子-電子相互作用，對(duì)磁相變和超導(dǎo)性能產(chǎn)生顯著影響。摻雜則是通過引入額外的載流子或改變?cè)拥木钟颦h(huán)境，打破體系的原有對(duì)稱性，從而調(diào)控磁相變和超導(dǎo)態(tài)。例如，在一些鐵基超導(dǎo)體中，通過摻雜特定元素，可以有效地提高超導(dǎo)臨界溫度，拓寬超導(dǎo)區(qū)域。深入研究應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的調(diào)控機(jī)制，對(duì)于揭示鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理具有重要的理論意義。超導(dǎo)機(jī)理的研究一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題，鐵基超導(dǎo)體的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新的契機(jī)。通過研究應(yīng)力和摻雜調(diào)控下的磁相變，我們可以深入了解電子配對(duì)機(jī)制、電子-聲子相互作用以及電子-磁相互作用等在超導(dǎo)態(tài)形成過程中的作用，進(jìn)一步完善超導(dǎo)理論。從應(yīng)用角度來看，應(yīng)力和摻雜調(diào)控磁相變的研究成果有望為鐵基超導(dǎo)材料的性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。在電力傳輸領(lǐng)域，提高超導(dǎo)材料的臨界溫度和臨界電流密度是實(shí)現(xiàn)高效輸電的關(guān)鍵。通過應(yīng)力和摻雜調(diào)控，可以優(yōu)化鐵基超導(dǎo)材料的性能，降低超導(dǎo)應(yīng)用的成本，推動(dòng)超導(dǎo)電纜等技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。在磁懸浮交通領(lǐng)域，鐵基超導(dǎo)材料的高臨界磁場(chǎng)特性使其具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，通過調(diào)控磁相變可以進(jìn)一步提高材料在高磁場(chǎng)下的性能穩(wěn)定性，為磁懸浮列車的發(fā)展提供更優(yōu)良的材料選擇。在量子計(jì)算領(lǐng)域，超導(dǎo)材料的量子特性使其成為量子比特的候選材料之一，研究應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響，有助于開發(fā)出性能更穩(wěn)定、相干時(shí)間更長(zhǎng)的超導(dǎo)量子比特，推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自2008年鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，應(yīng)力和摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的研究在國(guó)內(nèi)外都取得了豐碩的成果，以下將從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面分別闡述其研究進(jìn)展。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國(guó)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)開展了深入探索。美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的角分辨光電子能譜（ARPES）技術(shù)，對(duì)不同應(yīng)力條件下的鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力的增加，鐵基超導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，費(fèi)米面附近的電子態(tài)密度改變，進(jìn)而影響了磁相變和超導(dǎo)性能。他們通過精確控制樣品的應(yīng)力狀態(tài)，觀察到在特定應(yīng)力下，磁相變溫度出現(xiàn)顯著的移動(dòng)，同時(shí)超導(dǎo)臨界溫度也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢(shì)，為理解應(yīng)力與磁相變、超導(dǎo)之間的相互關(guān)系提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。日本東京工業(yè)大學(xué)的科研人員則專注于摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響。他們通過化學(xué)摻雜的方法，在鐵基超導(dǎo)體中引入不同種類和濃度的雜質(zhì)原子，利用中子散射技術(shù)研究體系的磁結(jié)構(gòu)和磁激發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜可以有效地改變鐵基超導(dǎo)體的磁有序狀態(tài)，抑制反鐵磁漲落，從而促進(jìn)超導(dǎo)態(tài)的形成。例如，在某些鐵基超導(dǎo)體中，適量的摻雜可以使反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度降低，同時(shí)超導(dǎo)臨界溫度升高，揭示了摻雜對(duì)磁相變和超導(dǎo)態(tài)的調(diào)控機(jī)制。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也處于國(guó)際前沿水平。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在應(yīng)力調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變方面取得了重要突破。他們自主研發(fā)了高精度的應(yīng)力施加裝置，能夠在極低溫環(huán)境下對(duì)鐵基超導(dǎo)體樣品施加精確可控的應(yīng)力。通過綜合運(yùn)用電阻測(cè)量、磁化率測(cè)量以及比熱測(cè)量等多種實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)地研究了應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變和超導(dǎo)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度隨著應(yīng)力的增加而逐漸升高，同時(shí)磁相變的特性也發(fā)生了顯著改變，這一研究成果為鐵基超導(dǎo)材料的性能優(yōu)化提供了新的思路和方法。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員在摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變方面開展了大量工作。他們利用多種先進(jìn)的表征技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡（STM）、核磁共振（NMR）等，對(duì)摻雜后的鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的研究。通過STM測(cè)量，他們觀察到摻雜原子在鐵基超導(dǎo)體晶格中的分布情況，以及摻雜對(duì)超導(dǎo)能隙和電子態(tài)密度的影響；利用NMR技術(shù)，深入研究了摻雜引起的局域磁環(huán)境變化以及對(duì)磁相變的影響機(jī)制。這些研究成果為深入理解摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的微觀機(jī)理提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在理論研究方面，國(guó)外理論物理學(xué)家運(yùn)用多種理論模型對(duì)鐵基超導(dǎo)體的磁相變和超導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行研究。美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于密度泛函理論（DFT），對(duì)鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。他們通過模擬不同應(yīng)力和摻雜條件下的體系，預(yù)測(cè)了電子能帶結(jié)構(gòu)的變化以及磁有序狀態(tài)的演變。計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力可以改變鐵原子的局域環(huán)境和電子云分布，從而影響磁相互作用的強(qiáng)度和方向，進(jìn)而導(dǎo)致磁相變的發(fā)生；摻雜則通過引入額外的載流子和改變電子態(tài)密度，打破體系的原有對(duì)稱性，對(duì)磁相變和超導(dǎo)態(tài)產(chǎn)生重要影響。這些理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相互印證，為解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。歐洲的一些科研團(tuán)隊(duì)則運(yùn)用量子蒙特卡羅方法（QMC）對(duì)鐵基超導(dǎo)體的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系進(jìn)行模擬研究。他們考慮了電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用以及磁相互作用等多種因素，通過精確求解多體哈密頓量，研究了鐵基超導(dǎo)體在應(yīng)力和摻雜調(diào)控下的磁相變和超導(dǎo)機(jī)制。理論計(jì)算結(jié)果揭示了電子配對(duì)的微觀機(jī)制以及磁漲落在超導(dǎo)態(tài)形成過程中的重要作用，為理解鐵基超導(dǎo)體的復(fù)雜物理性質(zhì)提供了深入的理論見解。國(guó)內(nèi)理論研究團(tuán)隊(duì)也在該領(lǐng)域取得了一系列重要成果。北京大學(xué)的研究人員基于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子理論，發(fā)展了一套適用于鐵基超導(dǎo)體的有效模型，通過數(shù)值計(jì)算和解析分析相結(jié)合的方法，研究了應(yīng)力和摻雜對(duì)磁相變和超導(dǎo)態(tài)的影響。他們的理論研究表明，應(yīng)力和摻雜可以改變鐵基超導(dǎo)體中電子的巡游性和局域磁矩的大小，從而導(dǎo)致磁相變和超導(dǎo)態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變。此外，他們還通過理論模型預(yù)測(cè)了一些新的磁相和超導(dǎo)相，為實(shí)驗(yàn)研究提供了有價(jià)值的理論指導(dǎo)。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的科研人員則運(yùn)用動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論（DMFT）對(duì)鐵基超導(dǎo)體的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系進(jìn)行研究。他們將晶格振動(dòng)、自旋漲落等因素納入理論模型，通過自洽求解電子的格林函數(shù)，研究了鐵基超導(dǎo)體在不同條件下的電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。理論計(jì)算結(jié)果不僅能夠解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的磁相變和超導(dǎo)現(xiàn)象，還能夠預(yù)測(cè)一些新的物理效應(yīng)，如應(yīng)力誘導(dǎo)的量子臨界點(diǎn)以及摻雜引起的磁有序與超導(dǎo)的競(jìng)爭(zhēng)與共存現(xiàn)象，為深入理解鐵基超導(dǎo)體的物理性質(zhì)和調(diào)控機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的調(diào)控機(jī)制，具體研究?jī)?nèi)容如下：應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響：構(gòu)建不同應(yīng)力條件下鐵基超導(dǎo)體的理論模型，通過計(jì)算模擬分析應(yīng)力作用下晶體結(jié)構(gòu)的變化，包括晶格參數(shù)的改變、原子位置的偏移等。研究這些結(jié)構(gòu)變化如何導(dǎo)致電子能帶結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，進(jìn)而影響電子-電子相互作用和磁相互作用，揭示應(yīng)力調(diào)控磁相變的微觀物理機(jī)制。例如，分析在拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力作用下，鐵原子的d軌道電子云分布變化，以及這種變化對(duì)磁矩大小和磁有序狀態(tài)的影響。通過計(jì)算磁相變溫度隨應(yīng)力的變化關(guān)系，確定應(yīng)力對(duì)磁相變的定量影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響：建立摻雜鐵基超導(dǎo)體的理論模型，考慮不同摻雜元素和摻雜濃度的情況。研究摻雜原子在晶格中的位置占據(jù)情況，以及它們?nèi)绾我腩~外的載流子或改變局域電子結(jié)構(gòu)。分析摻雜引起的電子態(tài)密度變化、費(fèi)米面的重構(gòu)以及對(duì)磁相互作用的調(diào)制作用。例如，通過計(jì)算不同摻雜濃度下的電子結(jié)構(gòu)，研究摻雜如何影響反鐵磁漲落的強(qiáng)度和范圍，從而揭示摻雜調(diào)控磁相變的微觀機(jī)制。預(yù)測(cè)不同摻雜體系中磁相變溫度和磁有序狀態(tài)的變化，為實(shí)驗(yàn)合成具有特定磁性能的鐵基超導(dǎo)材料提供理論依據(jù)。應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響：綜合考慮應(yīng)力和摻雜的共同作用，構(gòu)建應(yīng)力-摻雜協(xié)同調(diào)控的理論模型。研究在應(yīng)力和摻雜同時(shí)存在時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用的復(fù)雜變化。分析應(yīng)力和摻雜之間的相互耦合效應(yīng)，例如應(yīng)力如何增強(qiáng)或減弱摻雜對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響，以及摻雜如何改變材料對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)特性。探索通過應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的精確控制，尋找優(yōu)化超導(dǎo)性能的最佳應(yīng)力-摻雜組合條件，為開發(fā)高性能鐵基超導(dǎo)材料提供新的策略和方法。理論模擬方法：本研究主要采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法，該方法能夠準(zhǔn)確描述電子與原子核之間的相互作用，以及電子之間的交換關(guān)聯(lián)作用。利用平面波贗勢(shì)方法（PWPM）將電子波函數(shù)展開為平面波基組，通過求解Kohn-Sham方程得到體系的電子結(jié)構(gòu)和總能量。使用廣義梯度近似（GGA）或更精確的雜化泛函方法來描述電子的交換關(guān)聯(lián)能，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。借助VASP、CASTEP等成熟的計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，這些軟件具有高效的算法和良好的并行性能，能夠處理大規(guī)模的原子體系。在計(jì)算過程中，對(duì)晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的弛豫，確保體系達(dá)到能量最低狀態(tài)，以獲得準(zhǔn)確的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)，結(jié)合態(tài)密度分析、電荷密度差分分析、磁矩計(jì)算等手段，深入研究應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響機(jī)制。此外，還將運(yùn)用動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論（DMFT）等多體理論方法，進(jìn)一步研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中的磁相變現(xiàn)象，考慮電子-電子相互作用的多體效應(yīng)，為理解鐵基超導(dǎo)體的復(fù)雜物理性質(zhì)提供更深入的理論見解。通過將不同理論方法的計(jì)算結(jié)果相互印證和補(bǔ)充，全面、系統(tǒng)地揭示應(yīng)力和摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的物理規(guī)律。二、鐵基超導(dǎo)體磁相變基本理論2.1鐵基超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與特性鐵基超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)具有多樣性，常見的結(jié)構(gòu)類型主要包括（1111）、（122）、（111）和（11）這四種體系。在（1111）體系中，典型的化合物有LaFeAsO，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的層狀特征，由交替排列的LaO層和FeAs層構(gòu)成。LaO層主要起到電荷庫(kù)的作用，通過對(duì)該層進(jìn)行元素?fù)诫s，如用F取代O，可以有效調(diào)控FeAs層中的電子濃度，從而對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生顯著影響。FeAs層則是超導(dǎo)活性層，鐵原子和砷原子通過共價(jià)鍵相互連接，形成了具有特定幾何構(gòu)型的平面結(jié)構(gòu)，其中鐵原子的d軌道電子在超導(dǎo)機(jī)制中扮演著關(guān)鍵角色。在（122）體系中，以BaFe?As?為代表，其結(jié)構(gòu)由Ba原子層、Fe?As?層交替堆疊而成。Ba原子層同樣具有調(diào)節(jié)電子濃度的功能，而Fe?As?層中的Fe-As鍵長(zhǎng)、鍵角以及原子平面的平整度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，都會(huì)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而決定了超導(dǎo)性能。（111）體系的LiFeAs，其結(jié)構(gòu)相對(duì)較為緊密，Li原子與FeAs層相互作用，影響著體系的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)特性。（11）體系的FeSe，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，由Fe原子層和Se原子層交替排列組成，F(xiàn)eSe層之間通過較弱的范德華力相互作用，這種層間相互作用對(duì)超導(dǎo)態(tài)的形成和穩(wěn)定性具有重要意義。鐵基超導(dǎo)體具有獨(dú)特的超導(dǎo)電性和磁性特性。在超導(dǎo)電性方面，部分鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度突破了傳統(tǒng)BCS理論預(yù)言的麥克米蘭極限，展現(xiàn)出高溫超導(dǎo)特性。例如，某些（1111）體系的鐵基超導(dǎo)體，在優(yōu)化摻雜和外界條件調(diào)控下，臨界溫度可以達(dá)到較高水平。超導(dǎo)態(tài)下，鐵基超導(dǎo)體表現(xiàn)出零電阻特性，電子能夠在其中無(wú)阻礙地流動(dòng)，這是由于電子之間通過某種機(jī)制形成了庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)的凝聚導(dǎo)致了超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。同時(shí)，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)，使體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。在磁性方面，未摻雜的鐵基超導(dǎo)母體通常呈現(xiàn)出反鐵磁有序態(tài)。以BaFe?As?為例，在低溫下，F(xiàn)e原子的磁矩會(huì)按照特定的反鐵磁序排列，相鄰Fe原子的磁矩方向相反，形成了穩(wěn)定的反鐵磁結(jié)構(gòu)。這種反鐵磁序與超導(dǎo)態(tài)之間存在著密切的相互關(guān)系，隨著摻雜或外界條件的改變，體系會(huì)從反鐵磁態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。反鐵磁漲落被認(rèn)為在超導(dǎo)態(tài)的形成過程中起到了重要的媒介作用，它可以促進(jìn)電子之間的配對(duì)，從而有利于超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。然而，當(dāng)體系處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，磁性會(huì)受到一定程度的抑制，超導(dǎo)電子對(duì)的形成會(huì)破壞部分磁有序結(jié)構(gòu)，使得體系的磁矩減小。2.2磁相變?cè)砼c機(jī)制磁相變是指材料在外界條件（如溫度、壓力、磁場(chǎng)、摻雜等）變化時(shí)，其磁性狀態(tài)發(fā)生改變的過程。在鐵基超導(dǎo)體中，磁相變通常表現(xiàn)為從反鐵磁有序態(tài)到順磁態(tài)的轉(zhuǎn)變，或者在某些情況下，出現(xiàn)鐵磁態(tài)與其他磁有序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。這種磁相變過程伴隨著體系自由能的變化，當(dāng)外界條件改變時(shí)，體系會(huì)趨向于達(dá)到自由能最低的狀態(tài)，從而引發(fā)磁相變。以BaFe?As?為例，在高溫時(shí)，體系處于順磁態(tài)，F(xiàn)e原子的磁矩方向隨機(jī)分布，整體表現(xiàn)出較弱的磁性。隨著溫度降低，當(dāng)達(dá)到一定溫度（奈爾溫度TN）時(shí)，體系發(fā)生磁相變，進(jìn)入反鐵磁有序態(tài)。在反鐵磁態(tài)下，F(xiàn)e原子的磁矩呈現(xiàn)出特定的反鐵磁排列，相鄰Fe原子的磁矩方向相反，通過這種有序排列，體系的自由能降低，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種反鐵磁有序結(jié)構(gòu)的形成與Fe原子之間的磁相互作用密切相關(guān)，主要包括直接交換相互作用和超交換相互作用。直接交換相互作用是由于相鄰Fe原子的電子云直接重疊，導(dǎo)致電子自旋之間的相互作用；超交換相互作用則是通過中間的As原子作為媒介，使得Fe原子之間產(chǎn)生間接的磁相互作用。這兩種相互作用共同決定了反鐵磁有序態(tài)的形成和穩(wěn)定性。在鐵基超導(dǎo)體中，磁有序態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間存在著復(fù)雜的相互作用機(jī)制。通常情況下，在未摻雜的母體中，磁有序態(tài)占據(jù)主導(dǎo)地位，超導(dǎo)態(tài)被抑制。隨著摻雜或外界條件的變化，體系逐漸從磁有序態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)閾诫s引入的額外載流子或外界條件的改變，會(huì)影響電子的能帶結(jié)構(gòu)和電子-電子相互作用，從而破壞磁有序態(tài)，為超導(dǎo)態(tài)的形成創(chuàng)造條件。例如，在LaFeAsO中，通過F摻雜取代O，可以增加體系中的電子濃度，電子濃度的改變會(huì)導(dǎo)致電子-電子相互作用的變化，使得反鐵磁漲落增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)超導(dǎo)態(tài)的形成。反鐵磁漲落被認(rèn)為在超導(dǎo)態(tài)的形成過程中起到了關(guān)鍵的媒介作用。在反鐵磁有序態(tài)附近，存在著強(qiáng)烈的反鐵磁漲落，這些漲落可以看作是磁矩在空間和時(shí)間上的快速變化。反鐵磁漲落能夠誘導(dǎo)電子之間產(chǎn)生配對(duì)相互作用，類似于BCS理論中電子-聲子相互作用導(dǎo)致電子配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)。在鐵基超導(dǎo)體中，反鐵磁漲落通過與電子的相互作用，使得具有相反動(dòng)量和自旋的電子配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)的凝聚進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。當(dāng)體系進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，超導(dǎo)電子對(duì)的形成會(huì)對(duì)磁有序態(tài)產(chǎn)生影響，超導(dǎo)電子對(duì)的存在會(huì)破壞部分磁有序結(jié)構(gòu)，使得磁矩減小，磁有序態(tài)的范圍受到壓縮。這種磁有序態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間的相互競(jìng)爭(zhēng)和相互關(guān)聯(lián)，是鐵基超導(dǎo)體物理性質(zhì)的重要特征之一，深入理解它們之間的相互作用機(jī)制，對(duì)于揭示鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理具有至關(guān)重要的意義。2.3理論模擬方法基礎(chǔ)密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是本研究中用于探究應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變影響的核心理論模擬方法。該理論以電子密度作為基本變量，將多電子體系的基態(tài)能量表述為電子密度的泛函，從而把復(fù)雜的多體問題簡(jiǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的單電子問題。其基本思想源于Hohenberg-Kohn定理，該定理指出，體系的基態(tài)能量是電子密度的唯一泛函，并且在給定的外部勢(shì)場(chǎng)下，存在一個(gè)確定的電子密度分布使得體系能量達(dá)到最低。在實(shí)際計(jì)算中，通過求解Kohn-Sham方程來獲得體系的電子結(jié)構(gòu)和總能量。Kohn-Sham方程將多電子體系中的相互作用分為三個(gè)部分：電子的動(dòng)能項(xiàng)、電子與外部勢(shì)場(chǎng)（原子核）的相互作用項(xiàng)以及電子之間的交換關(guān)聯(lián)作用項(xiàng)。其中，電子之間的交換關(guān)聯(lián)作用是多電子體系中最為復(fù)雜的部分，目前無(wú)法精確求解，因此需要采用近似方法來描述。常用的近似方法包括局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）。LDA假設(shè)體系中每個(gè)點(diǎn)的交換關(guān)聯(lián)能僅取決于該點(diǎn)的電子密度，適用于電子密度變化較為緩慢的體系；GGA則進(jìn)一步考慮了電子密度的梯度信息，能夠更準(zhǔn)確地描述電子密度變化較快的體系，在鐵基超導(dǎo)體的研究中表現(xiàn)出更好的性能。平面波贗勢(shì)方法（PWPM）是結(jié)合DFT進(jìn)行計(jì)算的常用技術(shù)手段。在這種方法中，電子波函數(shù)被展開為平面波基組，通過引入贗勢(shì)來代替原子核與電子之間的強(qiáng)相互作用，從而有效地降低了計(jì)算量。贗勢(shì)的基本思想是在保持價(jià)電子態(tài)和總能量不變的前提下，對(duì)原子核附近的強(qiáng)相互作用進(jìn)行等效處理，使得在計(jì)算中可以采用較少的平面波基組來描述電子波函數(shù)，提高計(jì)算效率。同時(shí)，平面波基組具有完備性和正交性，便于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和理論分析，能夠精確地描述電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在本研究中，選用VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）和CASTEP（CambridgeSerialTotalEnergyPackage）等成熟的計(jì)算軟件來實(shí)現(xiàn)基于DFT的模擬計(jì)算。VASP軟件采用平面波贗勢(shì)方法，具有高效的算法和良好的并行性能，能夠處理大規(guī)模的原子體系。它可以精確計(jì)算體系的電子結(jié)構(gòu)、總能量、晶格動(dòng)力學(xué)等性質(zhì)，并且提供了豐富的后處理工具，方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和可視化處理。CASTEP軟件同樣基于DFT，采用平面波贗勢(shì)方法和周期性邊界條件，能夠?qū)w材料的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行全面的模擬計(jì)算。該軟件具有友好的用戶界面和強(qiáng)大的功能，在材料科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過這些理論模擬方法和計(jì)算軟件，能夠精確地研究應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用的影響。在研究應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響時(shí)，可以通過在計(jì)算模型中施加不同方向和大小的應(yīng)力，模擬晶體結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而分析電子能帶結(jié)構(gòu)的重構(gòu)以及磁相互作用的改變。在研究摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響時(shí)，可以通過構(gòu)建摻雜體系的模型，考慮不同摻雜元素和摻雜濃度的情況，計(jì)算摻雜引起的電子態(tài)密度變化、費(fèi)米面的重構(gòu)以及對(duì)磁相互作用的調(diào)制作用。結(jié)合態(tài)密度分析、電荷密度差分分析、磁矩計(jì)算等手段，能夠深入揭示應(yīng)力和摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的微觀物理機(jī)制。三、應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響3.1應(yīng)力作用下的晶格結(jié)構(gòu)變化應(yīng)力作為一種重要的外部調(diào)控手段，能夠?qū)﹁F基超導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而改變其物理性質(zhì)，尤其是磁相變特性。當(dāng)鐵基超導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，晶體內(nèi)部的原子間相互作用力平衡被打破，導(dǎo)致晶格參數(shù)發(fā)生改變，晶體的對(duì)稱性也可能隨之變化。在不同類型的應(yīng)力作用下，鐵基超導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各異的變化形式。對(duì)于單軸應(yīng)力，例如在BaFe?As?體系中，沿某一特定晶軸方向施加應(yīng)力時(shí)，該方向上的晶格參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的伸長(zhǎng)或縮短。具體而言，當(dāng)沿著Fe-As鍵方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，F(xiàn)e-As鍵長(zhǎng)會(huì)逐漸增大，而在垂直于該方向的晶格參數(shù)則會(huì)相應(yīng)地發(fā)生微小的收縮以維持晶體的整體穩(wěn)定性。這種晶格參數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致Fe原子與As原子之間的距離和相對(duì)位置發(fā)生變化，進(jìn)而影響Fe原子的電子云分布和磁相互作用。在壓縮應(yīng)力作用下，情況則相反，F(xiàn)e-As鍵長(zhǎng)縮短，原子間的相互作用增強(qiáng)，使得晶體結(jié)構(gòu)更加緊密。雙軸應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的影響更為復(fù)雜。以FeSe體系為例，當(dāng)在ab平面內(nèi)施加雙軸拉伸應(yīng)力時(shí)，不僅Fe-Se鍵長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，而且晶體的面內(nèi)對(duì)稱性也可能發(fā)生改變。由于兩個(gè)方向上的應(yīng)力同時(shí)作用，F(xiàn)eSe平面內(nèi)的原子排列會(huì)出現(xiàn)一定程度的扭曲，原本規(guī)則的二維平面結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)局部的起伏或畸變。這種結(jié)構(gòu)變化會(huì)引起電子的局域環(huán)境發(fā)生顯著改變，導(dǎo)致電子態(tài)密度的重新分布，從而對(duì)磁相互作用產(chǎn)生重要影響。靜水壓是另一種常見的應(yīng)力形式。在靜水壓作用下，鐵基超導(dǎo)體的晶格會(huì)在各個(gè)方向上均勻地受到壓縮或膨脹。以LiFeAs為例，隨著靜水壓的增加，晶格常數(shù)整體減小，晶體結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。這種均勻的結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)電子的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生系統(tǒng)性的影響，使得電子的能量狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響磁相變和超導(dǎo)性能。研究表明，在一定的靜水壓范圍內(nèi)，LiFeAs的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會(huì)隨著壓力的增大而線性減小，這與晶格結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)。通過第一性原理計(jì)算可以精確地模擬應(yīng)力作用下鐵基超導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的變化過程。以LiFeAs為例，在計(jì)算中，通過在晶體模型的邊界條件上施加不同大小和方向的應(yīng)力，模擬實(shí)際的應(yīng)力作用情況。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)在LiFeAs中施加沿Fe-Fe方向的單軸拉伸應(yīng)力時(shí)，F(xiàn)e-Fe原子間距逐漸增大，同時(shí)As原子的位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)這種結(jié)構(gòu)變化。隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的畸變，導(dǎo)致晶體的對(duì)稱性降低。這種晶格結(jié)構(gòu)的變化會(huì)直接影響到電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互作用，為深入理解應(yīng)力調(diào)控磁相變的微觀機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。3.2應(yīng)力誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)變化應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的改變，會(huì)進(jìn)一步引發(fā)電子結(jié)構(gòu)的顯著變化，這對(duì)理解磁相變和超導(dǎo)性能的調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要。電子結(jié)構(gòu)的變化主要體現(xiàn)在電子能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度以及電子軌道分布等方面，這些變化與應(yīng)力導(dǎo)致的晶格結(jié)構(gòu)畸變密切相關(guān)。從電子能帶結(jié)構(gòu)來看，應(yīng)力會(huì)使鐵基超導(dǎo)體的能帶發(fā)生明顯的移動(dòng)和展寬。以LiFeAs為例，在應(yīng)力作用下，F(xiàn)e原子的d軌道與As原子的p軌道之間的雜化程度改變，導(dǎo)致相關(guān)能帶的能量位置和色散關(guān)系發(fā)生變化。當(dāng)施加沿Fe-Fe方向的單軸拉伸應(yīng)力時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示Fe的3d軌道能帶向低能量方向移動(dòng)，這是由于Fe-Fe原子間距增大，電子云的重疊程度減小，使得電子的相互作用減弱，能量降低。同時(shí)，As的4p軌道能帶也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致Fe-As之間的雜化能帶展寬，能帶的展寬意味著電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)更加自由，這會(huì)對(duì)電子的有效質(zhì)量和遷移率產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變體系的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。態(tài)密度是描述電子在能量空間分布的重要物理量，應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體的態(tài)密度也有顯著影響。在LiFeAs中，隨著應(yīng)力的變化，費(fèi)米面附近的態(tài)密度會(huì)發(fā)生明顯的改變。當(dāng)施加特定方向和大小的應(yīng)力時(shí)，原本在費(fèi)米面附近的電子態(tài)密度可能會(huì)出現(xiàn)峰值的移動(dòng)或強(qiáng)度的變化。例如，在某一應(yīng)力條件下，計(jì)算得到費(fèi)米面附近的態(tài)密度在特定能量區(qū)間出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)，這是由于應(yīng)力導(dǎo)致的能帶結(jié)構(gòu)變化，使得更多的電子態(tài)聚集在該能量區(qū)間。態(tài)密度的變化直接影響著電子的填充情況和電子-電子相互作用，從而對(duì)磁相變和超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。在超導(dǎo)態(tài)中，電子配對(duì)的形成與費(fèi)米面附近的態(tài)密度密切相關(guān)，態(tài)密度的增強(qiáng)可能會(huì)促進(jìn)電子配對(duì)，有利于超導(dǎo)態(tài)的形成；而在磁有序態(tài)中，態(tài)密度的變化會(huì)改變磁相互作用的強(qiáng)度，進(jìn)而影響磁相變溫度和磁有序結(jié)構(gòu)。電子軌道分布在應(yīng)力作用下也會(huì)發(fā)生顯著變化。在鐵基超導(dǎo)體中，F(xiàn)e原子的d軌道電子在磁相互作用和超導(dǎo)機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。應(yīng)力會(huì)改變Fe原子的局域環(huán)境，使得d軌道電子云的分布發(fā)生畸變。以Fe的dxz和dyz軌道為例，在應(yīng)力作用下，這兩個(gè)軌道的電子云分布會(huì)發(fā)生不對(duì)稱的變化。在單軸應(yīng)力作用下，沿應(yīng)力方向的dxz軌道電子云可能會(huì)發(fā)生拉伸或壓縮，導(dǎo)致電子云在空間的分布更加集中或分散。這種電子軌道分布的變化會(huì)直接影響Fe原子之間的磁相互作用。由于磁相互作用與電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，電子軌道分布的改變會(huì)導(dǎo)致磁矩的大小和方向發(fā)生變化，進(jìn)而影響體系的磁有序狀態(tài)。應(yīng)力誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)變化對(duì)LiFeAs的超導(dǎo)和磁性產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。從超導(dǎo)角度來看，電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的變化會(huì)直接影響超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。當(dāng)應(yīng)力導(dǎo)致費(fèi)米面附近的態(tài)密度增加時(shí)，超導(dǎo)能隙可能會(huì)增大，這是因?yàn)楦嗟碾娮訁⑴c了配對(duì)過程，增強(qiáng)了超導(dǎo)電子對(duì)的穩(wěn)定性。不同方向的應(yīng)力對(duì)超導(dǎo)能隙的影響具有各向異性，例如在沿Fe-Fe方向的應(yīng)力作用下，超導(dǎo)能隙的變化與沿Fe-As方向應(yīng)力作用下的變化不同，這與不同方向上電子軌道的雜化和態(tài)密度的改變密切相關(guān)。在磁性方面，電子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)改變磁相互作用的強(qiáng)度和磁有序狀態(tài)。應(yīng)力導(dǎo)致的電子軌道分布變化會(huì)影響Fe原子磁矩之間的相互作用，可能會(huì)使原本的反鐵磁有序結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在一定應(yīng)力條件下，體系可能會(huì)從反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)，或者出現(xiàn)新的磁有序相。這種磁相變的發(fā)生與應(yīng)力誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，通過調(diào)整應(yīng)力的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LiFeAs磁性的有效調(diào)控。3.3應(yīng)力調(diào)控磁相變的模擬結(jié)果與分析通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算，對(duì)不同應(yīng)力條件下鐵基超導(dǎo)體的磁相變進(jìn)行了深入研究，得到了一系列關(guān)于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）、磁有序溫度（T_N）等隨應(yīng)力變化的重要結(jié)果。在對(duì)LiFeAs體系施加單軸應(yīng)力的模擬中，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨應(yīng)力的變化呈現(xiàn)出明顯的各向異性。當(dāng)沿著Fe-Fe方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c起初隨著應(yīng)力的增加而逐漸升高，在達(dá)到一定應(yīng)力值后，T_c開始下降。具體而言，在應(yīng)力較小時(shí)，隨著Fe-Fe原子間距的增大，電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，dxz能帶逐漸移動(dòng)到費(fèi)米面之上，使得費(fèi)米面附近的態(tài)密度增加，有利于電子配對(duì)，從而導(dǎo)致T_c升高。當(dāng)應(yīng)力超過某一臨界值后，進(jìn)一步增大的Fe-Fe間距使得電子相互作用減弱，破壞了超導(dǎo)電子對(duì)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致T_c降低。當(dāng)沿著Fe-As方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c則單調(diào)下降。這是因?yàn)镕e-As方向應(yīng)力導(dǎo)致dyz和dxz能帶都移動(dòng)到費(fèi)米面之下，只留下dxy穿過費(fèi)米面，電子配對(duì)的通道減少，超導(dǎo)電子對(duì)的形成受到抑制，從而使得T_c降低。磁有序溫度（T_N）在應(yīng)力作用下也表現(xiàn)出顯著的變化。對(duì)于BaFe?As?體系，在單軸應(yīng)力作用下，T_N隨應(yīng)力的變化與晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的改變密切相關(guān)。當(dāng)沿著某一晶軸方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，F(xiàn)e-As鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生變化，導(dǎo)致Fe原子的磁相互作用改變。計(jì)算結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著拉伸應(yīng)力的增加，F(xiàn)e原子間的反鐵磁相互作用減弱，T_N逐漸降低。這是因?yàn)閼?yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變使得Fe原子的磁矩排列受到干擾，磁有序狀態(tài)的穩(wěn)定性下降，從而導(dǎo)致T_N降低。在壓縮應(yīng)力作用下，情況則相反，F(xiàn)e原子間的磁相互作用增強(qiáng)，T_N有升高的趨勢(shì)。靜水壓對(duì)鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和磁有序溫度也有重要影響。以FeSe體系為例，隨著靜水壓的增加，晶格常數(shù)整體減小，晶體結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。模擬結(jié)果顯示，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c隨著靜水壓的增大而逐漸降低。這是由于靜水壓導(dǎo)致電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生系統(tǒng)性變化，電子的能量狀態(tài)改變，使得電子配對(duì)的難度增加，從而抑制了超導(dǎo)態(tài)。在磁有序方面，靜水壓使得Fe原子的磁相互作用增強(qiáng)，磁有序溫度T_N升高。這是因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)的緊湊化使得Fe原子的磁矩更容易排列成有序狀態(tài)，增強(qiáng)了磁有序的穩(wěn)定性。為了更直觀地展示應(yīng)力對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和磁有序溫度的影響，繪制了相應(yīng)的變化曲線。圖1展示了LiFeAs體系在不同方向單軸應(yīng)力下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c的變化情況。從圖中可以清晰地看到，沿Fe-Fe方向的應(yīng)力與沿Fe-As方向的應(yīng)力對(duì)T_c的影響截然不同，體現(xiàn)了應(yīng)力調(diào)控的各向異性。圖2則展示了BaFe?As?體系在單軸應(yīng)力下磁有序溫度T_N的變化，隨著應(yīng)力的增加，T_N呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，與理論分析結(jié)果一致。這些模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究相互印證，為理解應(yīng)力調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的物理機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。通過精確控制應(yīng)力的大小和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)性能和磁性能的有效調(diào)控，為鐵基超導(dǎo)材料的應(yīng)用開發(fā)提供了新的思路和方法。例如，在超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域，可以利用應(yīng)力調(diào)控來優(yōu)化超導(dǎo)器件的性能，提高其工作穩(wěn)定性和效率；在磁存儲(chǔ)領(lǐng)域，應(yīng)力調(diào)控磁相變的研究成果有助于開發(fā)新型的磁存儲(chǔ)材料和技術(shù)，提高存儲(chǔ)密度和讀寫速度。四、摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響4.1摻雜種類與濃度對(duì)晶格的影響在鐵基超導(dǎo)體中，摻雜是調(diào)控其物理性質(zhì)的重要手段，不同元素的摻雜以及摻雜濃度的變化會(huì)對(duì)晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而改變材料的電子結(jié)構(gòu)和磁相變特性。以LaFeAsO體系摻雜為例，當(dāng)在LaFeAsO中進(jìn)行F摻雜取代O時(shí)，由于F原子的電負(fù)性和原子半徑與O原子不同，會(huì)導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。F原子的原子半徑小于O原子，當(dāng)F替代O后，La-F鍵長(zhǎng)相較于La-O鍵長(zhǎng)會(huì)縮短，這使得LaO層的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。這種結(jié)構(gòu)變化會(huì)進(jìn)一步影響FeAs層，使得Fe-As鍵長(zhǎng)和鍵角也發(fā)生改變，從而改變了FeAs層的電子云分布和原子間的相互作用。隨著F摻雜濃度的增加，晶格參數(shù)的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過X射線衍射（XRD）實(shí)驗(yàn)和第一性原理計(jì)算表明，晶格常數(shù)c會(huì)隨著F摻雜濃度的增加而逐漸減小，而晶格常數(shù)a的變化相對(duì)較小。這是因?yàn)镕摻雜主要影響了LaO層與FeAs層之間的相互作用，使得層間距離減小，從而導(dǎo)致c軸方向的晶格常數(shù)減小。當(dāng)在LaFeAsO中進(jìn)行Sr摻雜取代La時(shí)，由于Sr的化合價(jià)與La不同，會(huì)引入額外的電荷，從而對(duì)晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Sr的離子半徑略大于La，Sr摻雜后會(huì)使晶格發(fā)生一定程度的膨脹。同時(shí)，由于Sr的二價(jià)特性，相較于La的三價(jià)，會(huì)導(dǎo)致體系中電子濃度發(fā)生變化，為了維持電中性，電子會(huì)在晶格中重新分布，這也會(huì)對(duì)晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間接影響。隨著Sr摻雜濃度的增加，晶格常數(shù)a和c都會(huì)逐漸增大，且體系的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性可能會(huì)發(fā)生改變。在一定摻雜濃度范圍內(nèi)，體系可能會(huì)從四方相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌啵@種晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的改變會(huì)對(duì)材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。不同摻雜元素對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響具有特異性，這是由于不同元素的原子半徑、電負(fù)性和化合價(jià)等因素的差異所導(dǎo)致的。例如，在一些鐵基超導(dǎo)體中進(jìn)行Co摻雜取代Fe時(shí)，由于Co原子與Fe原子的電子結(jié)構(gòu)和磁矩不同，不僅會(huì)改變晶格結(jié)構(gòu)，還會(huì)對(duì)磁相互作用產(chǎn)生重要影響。Co的原子半徑與Fe相近，但Co的3d電子結(jié)構(gòu)與Fe有所差異，這會(huì)導(dǎo)致Co-As鍵和Fe-As鍵的性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)晶格的穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。隨著Co摻雜濃度的增加，晶格常數(shù)會(huì)發(fā)生微小的變化，同時(shí)磁有序狀態(tài)也會(huì)逐漸改變，從反鐵磁有序態(tài)向其他磁有序態(tài)轉(zhuǎn)變。摻雜濃度的變化對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響也十分顯著。當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)，摻雜原子主要以孤立的形式存在于晶格中，它們對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小，主要通過局域的原子間相互作用來改變周圍的電子云分布。隨著摻雜濃度的增加，摻雜原子之間的相互作用逐漸增強(qiáng)，可能會(huì)形成團(tuán)簇或有序結(jié)構(gòu)，這會(huì)對(duì)晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生全局性的影響。在高摻雜濃度下，晶格結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生較大的畸變，甚至導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而顯著改變材料的物理性質(zhì)。4.2摻雜引起的電子結(jié)構(gòu)改變摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)的改變是理解其磁相變和超導(dǎo)性能變化的關(guān)鍵。以LaFeAsO體系的F摻雜為例，通過第一性原理計(jì)算可以清晰地揭示這種電子結(jié)構(gòu)的演變。在未摻雜的LaFeAsO母體中，費(fèi)米面主要由Fe的d軌道電子和As的p軌道電子貢獻(xiàn)。Fe的3d軌道具有多種軌道成分，包括dxz、dyz、dxy、dx2-y2和dz2，這些軌道電子在費(fèi)米面附近的分布和相互作用決定了材料的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。As的4p軌道與Fe的d軌道發(fā)生雜化，形成了復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)。在費(fèi)米面附近，存在著多個(gè)能帶的交叉，這些交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)著電子態(tài)密度的峰值，表明在這些能量處電子態(tài)的分布較為密集。當(dāng)在LaFeAsO中進(jìn)行F摻雜后，體系的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。由于F的電負(fù)性大于O，F(xiàn)摻雜會(huì)導(dǎo)致電子云重新分布。從能帶結(jié)構(gòu)來看，摻雜使得費(fèi)米面附近的能帶發(fā)生了移動(dòng)和展寬。具體而言，F(xiàn)e的dxz和dyz軌道對(duì)應(yīng)的能帶向低能量方向移動(dòng)，這是因?yàn)镕摻雜改變了Fe-As鍵的電子云分布，使得Fe原子的d軌道電子與F原子之間的相互作用增強(qiáng)，電子能量降低。同時(shí)，As的4p軌道對(duì)應(yīng)的能帶也發(fā)生了相應(yīng)的變化，導(dǎo)致Fe-As之間的雜化能帶展寬。能帶的展寬意味著電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)更加自由，電子的有效質(zhì)量減小，遷移率增加，這對(duì)材料的電學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。摻雜還會(huì)導(dǎo)致載流子濃度的改變，進(jìn)而影響費(fèi)米面的形狀和位置。在LaFeAsO中，F(xiàn)摻雜會(huì)引入額外的電子，使得體系的電子濃度增加。隨著F摻雜濃度的增加，費(fèi)米面逐漸向高能量方向移動(dòng)，這是因?yàn)楦嗟碾娮犹畛涞搅烁吣芰康哪芗?jí)上。同時(shí)，費(fèi)米面的形狀也發(fā)生了變化。在未摻雜時(shí)，費(fèi)米面呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的形狀，由多個(gè)電子口袋和空穴口袋組成。隨著F摻雜濃度的增加，電子口袋逐漸增大，空穴口袋逐漸減小，費(fèi)米面的形狀逐漸變得更加簡(jiǎn)單。這種費(fèi)米面的變化會(huì)影響電子的散射和輸運(yùn)性質(zhì)，進(jìn)而影響超導(dǎo)和磁性。在超導(dǎo)方面，費(fèi)米面的變化會(huì)改變電子配對(duì)的條件，影響超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。在磁性方面，費(fèi)米面的變化會(huì)改變磁相互作用的強(qiáng)度和范圍，影響磁有序狀態(tài)的穩(wěn)定性。電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)在摻雜鐵基超導(dǎo)體中也起著重要作用。在未摻雜的母體中，電子之間存在著一定的關(guān)聯(lián)作用，這種關(guān)聯(lián)作用會(huì)影響電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互作用。摻雜會(huì)改變電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，從而對(duì)超導(dǎo)和磁性產(chǎn)生影響。在LaFeAsO中，F(xiàn)摻雜會(huì)導(dǎo)致電子之間的庫(kù)侖相互作用發(fā)生變化。隨著F摻雜濃度的增加，電子之間的庫(kù)侖相互作用增強(qiáng)，這是因?yàn)楦嗟碾娮泳奂谳^小的空間范圍內(nèi)，電子之間的相互排斥作用增大。電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的增強(qiáng)會(huì)對(duì)超導(dǎo)電子對(duì)的形成產(chǎn)生影響，可能會(huì)增強(qiáng)或抑制超導(dǎo)態(tài)。在磁性方面，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的改變會(huì)影響磁矩的大小和磁有序狀態(tài)的穩(wěn)定性。較強(qiáng)的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致磁矩的增大，使得磁有序狀態(tài)更加穩(wěn)定；而較弱的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)則可能會(huì)導(dǎo)致磁矩的減小，磁有序狀態(tài)變得不穩(wěn)定。4.3摻雜調(diào)控磁相變的模擬結(jié)果與討論通過第一性原理計(jì)算對(duì)不同摻雜元素和濃度下鐵基超導(dǎo)體的磁相變進(jìn)行模擬，獲得了豐富的結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)于理解摻雜對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、磁有序狀態(tài)的影響機(jī)制具有重要意義。在對(duì)LaFeAsO體系進(jìn)行F摻雜的模擬中，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）隨F摻雜濃度的變化呈現(xiàn)出非單調(diào)的趨勢(shì)。當(dāng)F摻雜濃度較低時(shí)，隨著F含量的增加，T_c逐漸升高。這是因?yàn)镕摻雜引入了額外的電子，改變了電子結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)米面附近的態(tài)密度增加，有利于電子配對(duì)，從而提高了T_c。在F摻雜濃度為x=0.1時(shí)，T_c達(dá)到一個(gè)峰值。當(dāng)F摻雜濃度繼續(xù)增加時(shí)，T_c開始下降。這是由于過高的摻雜濃度導(dǎo)致晶格畸變加劇，產(chǎn)生了更多的雜質(zhì)散射中心，破壞了超導(dǎo)電子對(duì)的穩(wěn)定性，從而抑制了超導(dǎo)態(tài)。磁有序狀態(tài)在摻雜過程中也發(fā)生了顯著變化。在未摻雜的LaFeAsO母體中，體系呈現(xiàn)出反鐵磁有序態(tài)，F(xiàn)e原子的磁矩按照特定的反鐵磁序排列。隨著F摻雜濃度的增加，反鐵磁有序態(tài)逐漸被抑制。當(dāng)F摻雜濃度達(dá)到一定值時(shí)，體系的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度（T_N）明顯降低，表明反鐵磁有序態(tài)的穩(wěn)定性下降。在高摻雜濃度下，體系可能會(huì)從反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)，這是因?yàn)閾诫s引起的電子結(jié)構(gòu)變化破壞了磁相互作用的平衡，使得磁矩的有序排列難以維持。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的一致性。實(shí)驗(yàn)上通過對(duì)LaFeAsO體系進(jìn)行F摻雜，并利用電阻測(cè)量、磁化率測(cè)量等手段研究其超導(dǎo)和磁性特性，得到的T_c和T_N隨F摻雜濃度的變化趨勢(shì)與模擬結(jié)果相符。這種一致性不僅驗(yàn)證了模擬方法的可靠性，也進(jìn)一步加深了對(duì)摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變機(jī)制的理解。例如，實(shí)驗(yàn)中觀察到在F摻雜濃度為x=0.1左右時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到最大值，與模擬結(jié)果一致。這表明通過理論模擬可以有效地預(yù)測(cè)摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變和超導(dǎo)性能的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論指導(dǎo)。在其他鐵基超導(dǎo)體體系中，摻雜對(duì)磁相變和超導(dǎo)性能的影響也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。在BaFe?As?體系中進(jìn)行Co摻雜時(shí)，隨著Co摻雜濃度的增加，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度先升高后降低，磁有序狀態(tài)也逐漸發(fā)生改變。低摻雜濃度下，Co摻雜引入的額外電子和改變的電子結(jié)構(gòu)促進(jìn)了超導(dǎo)態(tài)的形成，提高了T_c；高摻雜濃度時(shí)，晶格畸變和雜質(zhì)散射的增加抑制了超導(dǎo)態(tài)。在磁有序方面，Co摻雜逐漸削弱了反鐵磁相互作用，降低了T_N，最終導(dǎo)致磁有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這些模擬結(jié)果和討論揭示了摻雜調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的微觀機(jī)制，為優(yōu)化鐵基超導(dǎo)材料的性能提供了理論依據(jù)。通過精確控制摻雜元素和濃度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和磁有序狀態(tài)的有效調(diào)控，為開發(fā)高性能的鐵基超導(dǎo)材料提供了重要的指導(dǎo)方向。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的需求，選擇合適的摻雜體系和摻雜濃度，以獲得具有最佳超導(dǎo)性能和磁性能的鐵基超導(dǎo)材料，推動(dòng)其在電力傳輸、磁懸浮交通、量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用。五、應(yīng)力與摻雜協(xié)同調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變5.1協(xié)同調(diào)控的理論設(shè)想與模型建立在鐵基超導(dǎo)體的研究中，應(yīng)力和摻雜作為兩種重要的外部調(diào)控手段，各自對(duì)磁相變和超導(dǎo)性能有著顯著影響。應(yīng)力通過改變晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)整電子的能帶結(jié)構(gòu)和電子-電子相互作用；摻雜則通過引入額外載流子或改變?cè)拥木钟颦h(huán)境，打破體系原有的對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁相變和超導(dǎo)態(tài)的調(diào)控。然而，以往的研究大多單獨(dú)考慮應(yīng)力或摻雜的作用，對(duì)于兩者協(xié)同調(diào)控的研究相對(duì)較少。實(shí)際上，應(yīng)力和摻雜之間可能存在復(fù)雜的相互耦合效應(yīng)，這種協(xié)同作用有望為鐵基超導(dǎo)體磁相變的調(diào)控提供新的途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)性能的更精確優(yōu)化?；诖?，本研究提出應(yīng)力與摻雜協(xié)同調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的理論設(shè)想。通過同時(shí)施加應(yīng)力和進(jìn)行摻雜，期望利用兩者的協(xié)同效應(yīng)，更深入地探索鐵基超導(dǎo)體磁相變的規(guī)律，為開發(fā)高性能的鐵基超導(dǎo)材料提供理論指導(dǎo)。具體而言，應(yīng)力可以改變晶格的對(duì)稱性和原子間距，從而影響摻雜原子在晶格中的位置和周圍的電子云分布；而摻雜則可能改變材料的力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響材料對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)特性。兩者的協(xié)同作用可能導(dǎo)致一些新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)的出現(xiàn)，為理解鐵基超導(dǎo)體的復(fù)雜物理性質(zhì)提供新的視角。為了深入研究應(yīng)力與摻雜協(xié)同調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的機(jī)制，建立了相應(yīng)的理論模型。以常見的鐵基超導(dǎo)體BaFe?As?為例，該模型基于密度泛函理論（DFT），采用平面波贗勢(shì)方法（PWPM）進(jìn)行計(jì)算。在構(gòu)建模型時(shí)，充分考慮了應(yīng)力和摻雜的共同作用。在應(yīng)力方面，通過在晶體模型的邊界條件上施加不同方向和大小的應(yīng)力來模擬實(shí)際的應(yīng)力作用情況?？紤]了單軸應(yīng)力和雙軸應(yīng)力兩種情況，單軸應(yīng)力分別沿a軸和c軸方向施加，雙軸應(yīng)力則在ab平面內(nèi)施加。通過調(diào)整應(yīng)力的大小，可以精確控制晶體結(jié)構(gòu)的變化，研究不同應(yīng)力條件下材料的物理性質(zhì)變化。在摻雜方面，選擇Co作為摻雜元素取代部分Fe原子。Co的3d電子結(jié)構(gòu)與Fe有所差異，且Co的摻雜能夠有效地改變材料的電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用。通過改變Co的摻雜濃度，從0逐漸增加到一定比例，研究摻雜濃度對(duì)材料性能的影響。在模型參數(shù)設(shè)置上，采用廣義梯度近似（GGA）中的PBE泛函來描述電子的交換關(guān)聯(lián)能，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV，以確保對(duì)電子波函數(shù)的精確描述。布里淵區(qū)積分采用Monkhorst-Pack方法，k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為8×8×8，以保證計(jì)算的收斂性。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，采用共軛梯度法對(duì)原子位置和晶格參數(shù)進(jìn)行充分弛豫，直到原子間的相互作用力小于0.01eV/?，體系總能量變化小于1×10??eV，以確保體系達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。通過上述理論設(shè)想和模型建立，為研究應(yīng)力與摻雜協(xié)同調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。利用該模型，可以深入分析在應(yīng)力和摻雜協(xié)同作用下，鐵基超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用的變化規(guī)律，揭示協(xié)同調(diào)控的微觀物理機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究提供有價(jià)值的理論指導(dǎo)。5.2協(xié)同作用下的磁相變行為分析在應(yīng)力與摻雜協(xié)同作用下，鐵基超導(dǎo)體的磁相變行為呈現(xiàn)出復(fù)雜而獨(dú)特的特征，展現(xiàn)出兩者相互影響對(duì)超導(dǎo)和磁性的綜合調(diào)控效果。以建立的BaFe?As?體系應(yīng)力-摻雜協(xié)同調(diào)控模型為基礎(chǔ)，通過第一性原理計(jì)算，深入分析了不同應(yīng)力條件和摻雜濃度下體系的磁相變特性。在單軸應(yīng)力和Co摻雜協(xié)同作用時(shí)，當(dāng)沿a軸施加拉伸應(yīng)力且Co摻雜濃度較低時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示體系的反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度（T_N）略有下降。這是因?yàn)槔鞈?yīng)力使晶格在a軸方向發(fā)生膨脹，F(xiàn)e-As鍵長(zhǎng)增加，電子云重疊程度減小，導(dǎo)致磁相互作用減弱；而低濃度的Co摻雜引入的額外電子對(duì)體系的磁結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小，但也在一定程度上破壞了原有的反鐵磁有序，兩者共同作用使得T_N降低。隨著Co摻雜濃度的逐漸增加，體系的T_N進(jìn)一步降低，并且在較高摻雜濃度下，體系的磁有序狀態(tài)發(fā)生明顯改變，可能從反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌庞行驊B(tài)，如自旋玻璃態(tài)或順磁態(tài)。這是由于高濃度的Co摻雜引入了更多的雜質(zhì)散射中心，嚴(yán)重破壞了磁相互作用的長(zhǎng)程有序性，同時(shí)應(yīng)力與摻雜之間的相互耦合效應(yīng)加劇了這種破壞作用。當(dāng)沿c軸施加壓縮應(yīng)力并同時(shí)進(jìn)行Co摻雜時(shí)，體系的磁相變行為又有所不同。壓縮應(yīng)力使晶格在c軸方向收縮，增強(qiáng)了Fe原子層之間的相互作用，有利于磁有序的形成。在低摻雜濃度下，這種增強(qiáng)作用在一定程度上抵消了Co摻雜對(duì)磁有序的破壞，使得T_N下降幅度較小。隨著Co摻雜濃度的增加，盡管壓縮應(yīng)力仍在增強(qiáng)磁相互作用，但Co摻雜的破壞作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，T_N依然逐漸降低，并且體系的磁有序結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，磁矩的排列變得更加無(wú)序。在雙軸應(yīng)力和Co摻雜協(xié)同作用下，情況更為復(fù)雜。在ab平面內(nèi)施加雙軸拉伸應(yīng)力時(shí)，F(xiàn)eAs平面發(fā)生畸變，電子的局域環(huán)境發(fā)生顯著變化。低摻雜濃度下，雙軸拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變與Co摻雜引入的電子結(jié)構(gòu)變化相互作用，使得體系的磁相互作用發(fā)生復(fù)雜的變化，T_N呈現(xiàn)出先略微上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘蛽诫s濃度下，應(yīng)力引起的晶格畸變使得部分電子態(tài)重新分布，在一定程度上增強(qiáng)了磁相互作用，導(dǎo)致T_N略有上升；隨著Co摻雜濃度的進(jìn)一步增加，摻雜對(duì)磁有序的破壞作用逐漸增強(qiáng)，超過了應(yīng)力增強(qiáng)磁相互作用的效果，從而使T_N下降。當(dāng)摻雜濃度達(dá)到一定值時(shí)，體系可能會(huì)出現(xiàn)新的磁相，如螺旋磁相或非公度磁相，這是由于雙軸應(yīng)力和高濃度摻雜共同作用，導(dǎo)致磁相互作用的對(duì)稱性被進(jìn)一步破壞，體系為了降低自由能而形成了新的磁有序結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比不同應(yīng)力和摻雜組合下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c），發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與摻雜的協(xié)同作用對(duì)T_c也有顯著影響。在某些應(yīng)力-摻雜組合下，T_c出現(xiàn)了明顯的提升。例如，在沿a軸施加適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)力且Co摻雜濃度處于某一特定范圍時(shí)，T_c相較于單獨(dú)應(yīng)力或摻雜作用時(shí)有所增加。這是因?yàn)閼?yīng)力和摻雜的協(xié)同作用優(yōu)化了電子結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)米面附近的態(tài)密度分布更加有利于電子配對(duì)，增強(qiáng)了超導(dǎo)電子對(duì)的穩(wěn)定性，從而提高了T_c。然而，在另一些應(yīng)力-摻雜組合下，T_c則受到抑制。當(dāng)應(yīng)力和摻雜的共同作用導(dǎo)致晶格畸變過于嚴(yán)重，產(chǎn)生過多的雜質(zhì)散射中心時(shí)，超導(dǎo)電子對(duì)的形成和運(yùn)動(dòng)受到阻礙，T_c降低。綜上所述，應(yīng)力和摻雜的協(xié)同作用對(duì)鐵基超導(dǎo)體的磁相變和超導(dǎo)性能有著復(fù)雜而微妙的影響。兩者之間的相互耦合效應(yīng)不僅改變了晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，還顯著影響了磁相互作用和超導(dǎo)電子對(duì)的形成。通過精確調(diào)控應(yīng)力的大小、方向以及摻雜元素和濃度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變和超導(dǎo)性能的精細(xì)控制，為開發(fā)高性能的鐵基超導(dǎo)材料提供了新的策略和方法。未來的研究可以進(jìn)一步探索更多的應(yīng)力-摻雜組合，深入研究其對(duì)鐵基超導(dǎo)體物理性質(zhì)的影響機(jī)制，以尋找最佳的調(diào)控條件，推動(dòng)鐵基超導(dǎo)材料在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。5.3協(xié)同調(diào)控的潛在應(yīng)用與前景展望應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的研究成果，在超導(dǎo)材料性能優(yōu)化和新型超導(dǎo)器件開發(fā)等方面展現(xiàn)出了極具潛力的應(yīng)用前景。在超導(dǎo)材料性能優(yōu)化方面，通過精確調(diào)控應(yīng)力和摻雜，可以顯著提升超導(dǎo)材料的臨界溫度和臨界電流密度。例如，在某些鐵基超導(dǎo)體系中，通過施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力并結(jié)合特定元素的摻雜，有望將超導(dǎo)臨界溫度進(jìn)一步提高，使其更接近或達(dá)到室溫超導(dǎo)的目標(biāo)。這將極大地拓展超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍，降低超導(dǎo)應(yīng)用的制冷成本，推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。臨界電流密度的提升也是一個(gè)重要的應(yīng)用方向。在電力傳輸領(lǐng)域，高臨界電流密度的超導(dǎo)材料可以實(shí)現(xiàn)更大電流的無(wú)損耗傳輸，提高電力傳輸效率，減少能源浪費(fèi)。通過應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控，可以優(yōu)化超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，抑制磁通釘扎等不利于電流傳輸?shù)囊蛩?，從而提高臨界電流密度，為超導(dǎo)電纜等電力傳輸設(shè)備的發(fā)展提供更優(yōu)良的材料基礎(chǔ)。新型超導(dǎo)器件的開發(fā)是協(xié)同調(diào)控研究成果的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。在超導(dǎo)量子比特方面，應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控可以精確控制超導(dǎo)材料的量子特性，提高量子比特的性能穩(wěn)定性和相干時(shí)間。量子比特是量子計(jì)算的核心元件，其性能的提升對(duì)于推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。通過優(yōu)化應(yīng)力和摻雜條件，可以設(shè)計(jì)出具有更低噪聲、更高保真度的超導(dǎo)量子比特，為構(gòu)建大規(guī)模、高性能的量子計(jì)算機(jī)提供技術(shù)支持。在超導(dǎo)傳感器領(lǐng)域，應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控可以增強(qiáng)超導(dǎo)材料對(duì)微弱物理信號(hào)的響應(yīng)特性，開發(fā)出高靈敏度的超導(dǎo)傳感器。例如，超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是一種基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)的高靈敏度磁傳感器，通過應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控，可以優(yōu)化SQUID的超導(dǎo)性能和磁響應(yīng)特性，使其能夠檢測(cè)到更微弱的磁場(chǎng)變化，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、地質(zhì)勘探、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。從更宏觀的角度來看，應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控鐵基超導(dǎo)體磁相變的研究為超導(dǎo)材料的發(fā)展開辟了新的道路。未來，隨著對(duì)協(xié)同調(diào)控機(jī)制的深入理解和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有望開發(fā)出一系列具有特殊性能的新型鐵基超導(dǎo)材料，滿足不同領(lǐng)域?qū)Τ瑢?dǎo)材料的多樣化需求。這將進(jìn)一步推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)在能源、交通、醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決能源危機(jī)、改善交通效率、提升醫(yī)療診斷水平、推動(dòng)信息技術(shù)革命等提供創(chuàng)新的解決方案。盡管目前應(yīng)力和摻雜協(xié)同調(diào)控的研究還面臨一些挑戰(zhàn)，如實(shí)驗(yàn)條件的精確控制、理論模型的進(jìn)一步完善等，但隨著科技的不斷發(fā)展，這些問題有望逐步得到解決，為超導(dǎo)材料和超導(dǎo)器件的發(fā)展帶來新的突破。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算和動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論（DMFT）等方法，深入探究了應(yīng)力和摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響機(jī)制，取得了一系列具有重要理論和實(shí)際意義的研究成果。在應(yīng)力對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響方面，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力能夠顯著改變鐵基超導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)。不同類型的應(yīng)力，如單軸應(yīng)力、雙軸應(yīng)力和靜水壓，會(huì)導(dǎo)致晶格參數(shù)的不同變化，進(jìn)而影響原子間的距離和相對(duì)位置。這種晶格結(jié)構(gòu)的改變引發(fā)了電子結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，包括電子能帶結(jié)構(gòu)的移動(dòng)和展寬、態(tài)密度的變化以及電子軌道分布的畸變。具體而言，在LiFeAs體系中，單軸應(yīng)力作用下，沿Fe-Fe方向的拉伸應(yīng)力使Fe-Fe原子間距增大，dxz能帶移動(dòng)到費(fèi)米面之上，費(fèi)米面附近態(tài)密度增加，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c起初升高，超過一定應(yīng)力值后降低；沿Fe-As方向的拉伸應(yīng)力則使dyz和dxz能帶移動(dòng)到費(fèi)米面之下，T_c單調(diào)下降。磁有序溫度T_N也隨應(yīng)力變化，如在BaFe?As?體系中，單軸拉伸應(yīng)力使Fe-As鍵長(zhǎng)和鍵角改變，F(xiàn)e原子磁相互作用減弱，T_N降低；壓縮應(yīng)力則使Fe原子磁相互作用增強(qiáng)，T_N有升高趨勢(shì)。靜水壓對(duì)鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和磁有序溫度也有明顯影響，如在FeSe體系中，靜水壓增加使晶格常數(shù)減小，T_c降低，T_N升高。這些結(jié)果揭示了應(yīng)力調(diào)控磁相變的微觀物理機(jī)制，為通過應(yīng)力調(diào)控鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能和磁性能提供了理論依據(jù)。對(duì)于摻雜對(duì)鐵基超導(dǎo)體磁相變的影響，研究表明不同摻雜元素和