通過調(diào)節(jié)外界物理參量（如壓力，磁場，摻雜等）往往可以把物質(zhì)體系的有序態(tài)完全抑制。在物質(zhì)的序參量對應(yīng)于外界參量的相圖中，零溫下序參量被完全抑制的位置（點(diǎn)）稱為量子臨界點(diǎn)。量子臨界點(diǎn)的存在會影響物質(zhì)的有限溫度的性質(zhì)，并導(dǎo)致新物態(tài)的出現(xiàn)。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭國慶研究組發(fā)現(xiàn)，電子參雜鐵基超導(dǎo)體BaFe_2-xNi_xAs₂中存在兩個(gè)量子臨界點(diǎn)。一個(gè)在x_c1=0.10處，另一個(gè)在x_c2=0.14處。通過核磁共振和輸運(yùn)測量，他們發(fā)現(xiàn)x_c1是磁量子臨界點(diǎn)，而x_c2是向列序（Nematic）量子臨界點(diǎn)。他們的研究結(jié)果顯示，鐵基超導(dǎo)體的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象是與量子臨界性密切相關(guān)的。

在這個(gè)工作中，博士研究生周睿等人發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)臨界點(diǎn)處正常態(tài)的電阻率與溫度成線性關(guān)系（見圖1中的黃色部分），說明在這兩點(diǎn)附近，系統(tǒng)不能用傳統(tǒng)的費(fèi)米理論描述。接著他們利用核磁共振法分別研究了這兩個(gè)臨界點(diǎn)的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)x_c1是磁量子臨界點(diǎn)。依據(jù)是尼爾（Neel）溫度TN和由自旋晶格弛豫率1/T₁（圖2）得到的外斯溫度θ都等于零， 且在欠摻雜區(qū)域超導(dǎo)與反鐵磁微觀共存。從圖2可以清晰得看到，在x_c1=0.10附近，1/T₁在Tc之上幾乎不隨溫度變化，這是因?yàn)榻惶娲呕拾l(fā)散性地增長引起的，是磁量子臨界的重要特征（即θ=0）。在x_c1=0.10樣品觀察到的電阻率與溫度的線性關(guān)系是由量子臨界漲落引起的。

他們進(jìn)一步利用75As的核磁共振譜研究這個(gè)體系的結(jié)構(gòu)相變。向列結(jié)構(gòu)相變（四方相向正交相的轉(zhuǎn)變）后a軸和b軸的長度不一樣，導(dǎo)致a軸和b軸方向的電場梯度不同。所以孿晶樣品的核磁共振譜的衛(wèi)星峰產(chǎn)生了劈裂（圖3）。結(jié)果顯示，這種相變一直延續(xù)到x=0.12，且轉(zhuǎn)變溫度Ts小于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。值得指出的是，在超導(dǎo)dome里發(fā)現(xiàn)其他相變尚屬首例。這種結(jié)構(gòu)相變到x=0.14才消失。綜合Ts的參雜變化及電阻率的溫度變化，研究組發(fā)現(xiàn)x_c2=0.14是向列量子臨界點(diǎn)。這是一個(gè)新穎的量子臨界點(diǎn)，其電阻率隨溫度的演變用現(xiàn)有的理論還無法解釋。傳統(tǒng)的理論預(yù)言，在結(jié)構(gòu)相變的量子臨界點(diǎn)附近，電阻率應(yīng)當(dāng)遵守T4/3的溫度變化規(guī)律。研究組觀察到的結(jié)構(gòu)相變很可能是由電子向列序（如軌道有序）引起的，值得今后更加深入地研究。

研究組的成果表明，載流子參雜鐵基超導(dǎo)體的機(jī)制與量子臨界性有著密切的關(guān)系。特別是，在磁量子臨界點(diǎn)Tc最高，說明自旋量子漲落對超導(dǎo)的產(chǎn)生起了直接的作用。這項(xiàng)成果對研究鐵基高溫超導(dǎo)體的微觀機(jī)制提供了重要的線索。

該工作發(fā)表在Nature Communications【Nat. Commun. 4, 2265 (2013)】。
該研究工作得到了科技部“973”項(xiàng)目的支持。

圖1 BaFe_2-xNi_xAs₂的相圖。T_N是尼爾溫度，T_s是向列轉(zhuǎn)變溫度，θ是一個(gè)衡量離量子臨界點(diǎn)距離的參量。淡黃色表示該處電阻率與溫度成線性關(guān)系。

圖2 所有BaFe_2-xNi_xAs₂樣品的1/T₁隨溫度的演變圖。其中實(shí)線和虛線箭頭分別表示了T_c和T_N。可以看到在x= 0.10處，1/T₁在T_c以上基本不隨溫度變化，說明這里是一個(gè)反鐵磁量子臨界點(diǎn)。

圖3 (a)-(d)是x= 0.05-0.12的核磁共振譜衛(wèi)星峰在T_s前后的變化。可以看到在T_s之下，衛(wèi)星峰發(fā)生了明顯的劈裂或者兩峰向相反方向移動并展寬。(e) x= 0.14的衛(wèi)星峰直到4.5 K都沒有看到明顯的變化，說明在這個(gè)樣品里沒有結(jié)構(gòu)相變發(fā)生。