近日，复旦大学物理学系赵俊课题组利用中子散射技术揭示了铁基材料Li_1-xFe_xODFeSe的绝缘态母相的自旋激发行为，提出其随电荷掺杂的演变与铜氧化物高温超导体有高度相似性，二者可能存在类似的物理机制。相关研究论文于2025年1月3日发表在国际权威期刊《Physical Review Letters》上。这一研究成果预计将激发更多关于高温超导体共有特性和统一理论的深入探索。复旦大学物理系博士后沃弘樑和泮丙营为该论文的共同第一作者，赵俊教授为本文的通讯作者。

高温超导电性自1986年被发现以来，一直是凝聚态物理领域的重要课题。超导体在低温下表现为电阻为零并具有完全抗磁性，在电力传输、磁共振成像、磁悬浮列车及量子计算等领域有重要应用前景。高温超导体则指在相对较高温度下表现出超导性的材料，尽管其工作温度仍远低于常温，但相较于传统超导体具有更大的应用潜力。然而，高温超导机制至今仍未被完全揭示，成为科学界的重大未解之谜。

高温超导机制的研究不仅有助于理解强关联电子体系的复杂物理现象，还为设计和开发更高性能的超导材料提供了重要指导。不同高温超导体系的共有特性研究，可以为建立统一的高温超导理论提供实验依据，是破解高温超导之谜的重要途径。

大多数铜氧化物和铁基高温超导体的母相化合物均具有反铁磁质，只有在引入足够载流子后才能表现出超导电性。因此，深入理解高温超导体母体化合物中的自旋关联及其受电荷掺杂的影响，对于揭示高温超导机制至关重要。铜氧化物高温超导体的自旋关联的重要特征是其激发谱呈现沙漏型色散，这一特征被认为与掺杂莫特绝缘体中电荷和自旋的相分离及条纹量子激发相关，且与d波超导配对有直接联系。

赵俊课题组利用水热离子交换法合成了大尺寸、高质量的铁基材料Li_1-xFe_xODFeSe的单晶样品，与铁砷类超导体的金属母相不同，该体系的母体化合物呈现绝缘态。团队利用高能中子散射刻画了其绝缘母相的广阔动量和能量空间的自旋激发谱。实验结果发现Li_1-xFe_xODFeSe的母体材料的总涨落磁矩比铁砷类铁基超导体更小。这可能来源于该体系中较大的FeSe面间距导致的二维性和量子涨落增强。进一步，研究发现绝缘态的Li_1-xFe_xODFeSe的自旋激发呈现V字型色散（图1(a)）。通过仔细对比超导态的激发谱，发现随着电子掺杂浓度的提高，低能自旋激发偏离反铁磁波矢向非共度位置移动，而高能的自旋激发色散则不受掺杂影响（图1(b)），形成了最佳掺杂Li_1-xFe_xODFeSe中的沙漏型的自旋激发谱。高能激发谱不随电荷掺杂改变且与绝缘相相同的行为表明其很可能来源于局域磁矩，而与电荷掺杂量密切相关的低能激发谱则可能来源于巡游磁矩。两种磁激发在特定能量相遇则形成了独特的沙漏型色散。

引人瞩目的是，Li_1-xFe_xODFeSe中绝缘母相的自旋激发谱，以及它随载流子掺杂的演化与空穴型铜氧化物超导体的行为有惊人的相似性，这表明迥异的两类高温超导体的磁性和超导电性可能有相似的物理机制。这一研究预计将激发更多关于高温超导体共有特性和统一理论的探索。

这项工作的部分测量在美国橡树岭国家实验室的ARCS谱仪完成。研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金重点项目，2030科技创新重大项目和上海市市级科技重大专项的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.016501

图1：(a)绝缘态Li_1-xFe_xODFeSe的自旋激发谱。(b)绝缘态和最佳掺杂Li_1-xFe_xODFeSe（T_c=41 K）自旋激发色散与空穴型铜氧化物呈现高度相似性。