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Field-induced incipient spin-density phase stabilized inside the nematic phase of FeSe $_{1-x}$ S $_x$

本研究表明，对 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 施加高磁场可以稳定其向列相内的隐现自旋密度波（SDW）相，这一点由电阻率上升和量子振荡所证实，从而揭示了削弱向列性会促进铁基硫族化合物中自旋密度波序以及主导超导配对机制的出现。

原作者： I. Paulescu, R. M. Abedin, J. S. Pearce, W. H. Fong, Z. Zajicek, A. Morfoot, W. Knafo, O. Squire, D. Graf, A. A. Haghighirad, A. I. Coldea

发布于 2026-09-24

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CC BY 4.0

原作者： I. Paulescu, R. M. Abedin, J. S. Pearce, W. H. Fong, Z. Zajicek, A. Morfoot, W. Knafo, O. Squire, D. Graf, A. A. Haghighirad, A. I. Coldea

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在材料科学领域，某些物质在其原子和电子的不同组织方式之间保持着一种秘密的张力。一种是磁有序，即微小的原子磁铁排列成僵硬且重复的模式；另一种是超导态，在这种状态下，电流以零电阻流动，而这种现象通常需要这些磁性倾向被抑制下来。几十年来，科学家们一直研究铁基超导体，以了解这两种状态如何竞争并有时共存。该领域的一个核心概念是“向列性”（nematicity），这是一种电子根据运动方向表现出不同行为的状态，它打破了材料结构的对称性，但不一定形成磁性模式。在许多此类材料中，施加压力或改变化学成分可以将系统从向列态推向磁有序态，反之亦然。准确理解这些转变如何发生以及何时发生至关重要，因为这些状态之间的涨落被认为是维持超导对、使电流无损流动的“胶水”。

一组研究人员现在在一类铁基材料（一种由铁、硒和硫组成的化合物）中发现了一个微妙且隐藏的相位。通过对这些晶体施加极强的磁场，他们能够抑制通常掩盖了底层电子行为的超导性。他们的发现令人惊讶：即使在没有预期磁序的向列态内部，也出现了一种微弱的、新兴的磁性模式。这种被称为自旋密度波（spin-density wave）的模式，是指电子自旋排列成波状结构的一种状态。研究人员发现，这种磁有序是非常脆弱的；只有当超导态被高达68特斯拉的磁场（其强度大约是普通冰箱磁铁的一百万倍）击溃时，它才会变得可见。

他们研究的材料是 $\text{FeSe}_{1-x}\text{S}_x$ ，这是一种通过用硫取代部分硒原子的固溶体。硫的含量就像一个调节旋钮，改变着材料的特性。团队重点研究了处于向列相结束边界附近的具有不同硫含量的样品。在没有磁场的情况下，这些样品在低温下是超导体的。然而，随着研究人员增加磁场，超导性消失了，取而代之的是另一种状态。材料的电阻率在通常随温度降低而下降的情况下，会在特定温度突然开始剧烈上升。这种电阻上升是材料向绝缘或磁性态转变的典型特征，表明电子正在重新组织自身，形成一种新的有序模式。

为了确认这确实是磁有序而非仅仅是随机的故障，团队使用了几种不同的测量技术。他们监测了一个微型电子振荡器的频率，该振荡器对电流通过材料的方式的变化非常敏感，并测量了晶体在磁场下受到的转矩（即扭转力）。所有这些不同的方法都指向同一个结论：在特定温度下，材料发生了转变。电子正在重新排列自身，创造出一种新的结构，从而改变了材料的导电方式。此外，研究人员还观察到了量子振荡，即当电子在磁场中沿圆形路径运动时，电阻中出现的涟漪。这些涟漪的频率表明，电子被限制在非常小的口袋中，这标志着原始的、较大的电子结构已被新的磁有序所重构。

为了确保这不仅仅是特定硫掺杂样品的特有现象，团队将他们的发现与另一种版本的相同材料进行了对比。他们取了一个含硫量极低的样品，并对其施加高压，这模拟了添加硫的效果，但通过物理压缩晶格来实现。在这种压力下，同样的磁有序出现了，但这一次它是稳定的，即使在没有磁场的情况下也是可见的。这种直接对比证实，在硫掺杂样品中观察到的磁有序是材料的一种真实的、内在的属性，只是在正常条件下被超导性掩盖了。研究人员发现，硫掺杂样品中的磁有序比加压样品中的磁有序要弱得多，且对磁场更敏感，将其描述为一种“雏形”或新兴相位。

这一发现的意义重大。研究表明，磁有序和向列态可以共存，磁有序就隐藏在超导态的表层之下。通过化学取代或压力来削弱向列态，磁有序会变得更加稳定。这表明，这些不同电子相之间的竞争是一种微妙的平衡。磁有序可以通过磁场显现出来这一事实意味着，它始终存在，只是被超导性所抑制。这一发现有助于科学家绘制铁基超导体的复杂相图，表明理解高温超导性的路径在于穿越一个磁性和超导性不断争夺主导地位的景观。这项工作为理解这些材料在极端条件下的行为提供了更清晰的图景，为揭示允许电流无电阻流动的基本机制提供了新的线索。

技术摘要：FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 中场诱导的初始自旋密度波相

问题陈述
在铁基超导体中，自旋密度波（SDW）序与超导电性经常发生竞争与共存。虽然铁基砷化物通常表现出与费米面嵌套相关的条纹型 SDW 序，但铁基硫族化合物（如 FeSe）呈现出一种更为受挫的磁景观。在常压下，FeSe 显示出无长程静态磁序的向列电子态，然而多种磁构型在能量上仍处于接近状态。先前的研究表明，通过对 FeSe 应用静水压可以抑制向列相并稳定 SDW 相，随后可使超导电性在高温度下重新出现。然而，在 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 体系中，向列性、磁有序与超导电性之间的相互作用（特别是在向列终点 $x \approx 0.175$ 附近）仍然十分复杂。具体而言，目前尚不清楚是否仅通过化学取代就能在 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 的向列相内稳定 SDW 相，或者这种有序态是否只能在高压下才能实现。此外，这种磁有序的本质——即它是一种稳固的基态，还是一个对外部扰动高度敏感的脆弱“初始”相——仍需进一步澄清。

实验方法
本研究采用多方面的实验手段来探测不同条件下 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 单晶的电子基态：

样品调控： 研究人员利用化学取代（改变硫含量 $x$ 从 $\sim0.13$ 到 $\sim0.17$ ）并施加静水压（高达 $\sim12$ kbar）来调节向列转变温度 ( $T_s$ ) 并抑制向列相。研究中还对化学取代样品与压力调控的类似物（FeSe $_{0.96}$ S $_{0.04}$ ）进行了直接比较。
高场磁输运： 在高达 68 T（脉冲场）和 41 T（电阻磁体）的磁场下测量纵向电阻率 ( $\rho_{xx}$ )，以抑制超导电性并揭示潜在的电子有序态。
隧道二极管振荡器 (TDO)： 进行无接触式 TDO 测量，以监测面内电阻率和磁化率的变化，为探测相变提供灵敏的手段。
磁矩转矩： 进行转矩各向异性测量，以检测磁化率 ( $\chi_a - \chi_c$ ) 的变化并识别磁有序。
量子振荡： 对高场测量数据进行分析，以提取费米面拓扑、有效质量和振荡频率，从而作为探测费米面重构的直接手段。

主要结果

场诱导电阻率上升： 在 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 的向列 B 相中（特别是 $x \sim 0.13$ 和 $x \sim 0.17$ 的样品），超导电性在 5 T 以上的磁场下被抑制。随着磁场进一步增加，在特征温度 $T_{MI}$ 处出现了显著的电阻率上升。这一上升标志着从类金属行为到类绝缘行为的转变，且该转变随磁场增加而向更低温度移动。
相关异常： 电阻率上升伴随着 TDO 共振频率和磁矩转矩各向异性的明显异常。这些特征出现在相似的温度（ $T_p$ 和 $T_\tau$ ）下，表明存在一种场诱导的内在电子有序态，同时影响了输运性质和磁学性质。
量子振荡与费米面重构： 在高场正常态中观察到了占主导地位的低频量子振荡。对于化学取代的样品，检测到了频率 $F \sim 83$ T 的振荡，其有效质量较轻（ $m^* \approx 1.53 m_e$ ）。这对应于一个微小的、重构后的费米面口袋，与 SDW 序导致部分费米面能隙形成的现象一致。
与压力调控类似物的比较： 通过与在静水压（ $p \sim 10.5$ kbar）下的 FeSe $_{0.96}$ S $_{0.04}$ 进行直接比较发现，两者具有相似的特征：定义了 SDW 相的电阻率上升、TDO 异常以及低频量子振荡（ $F \sim 70$ T）。然而，压力调控样品表现出更稳固的 SDW 相，该相在零磁场下是稳定的，而化学取代样品则需要高磁场才能显现出该有序态。
能量尺度： 从化学取代样品电阻率上升中推导出的激活能 ( $\Delta_m$ ) 约为 $0.2 - 0.5$ meV，比压力调控样品小约一个数量级。这表明化学取代样品中的 SDW 序是“初始”的，且对磁场高度敏感。

意义与主张
本文声称提供了在 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 向列态内稳定存在场诱导初始 SDW 相的证据。作者证明，通过化学取代或施加压力削弱向列性，系统会变得容易产生 SDW 有序态。

机制： 研究结果表明，SDW 序并非一种完全破坏超导电性的竞争不稳定性，而是一个脆弱的状态，当超导电性被磁场抑制时，它可以与向列相共存或从中涌现。
电子重构： 通过量子振荡观察到的微小费米面口袋证实了该场诱导有序态重构了电子结构，这与由费米面嵌套驱动的 SDW 形成过程相吻一致。
对配对机制的影响： 作者假设，通过削弱向列性来稳定 SDW 序（及相关的自旋涨落），可能会促进铁基硫族化合物中占主导地位的超导配对机制。初始 SDW 与超导电性的共存可能会影响超导能隙的性质，并可能支持涉及 Bogoliubov 费米面或环流磁序（toroidal magnetic order）的情景。
普适性： 本研究强调了 FeSe $_{1-x}$ S $_x$ 相图的边界是可调控的，并且 SDW 序的“初始”特性使其成为理解非常规超导体中向列性、磁性和超导电性之间竞争关系的灵敏探针。

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