最近，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心的李世亮/罗会仟(青促会会员)研究组与J-PARC散裂中子源、澳大利亚中子散射中心、法国劳厄-郎之万研究所、印度霍米·巴巴国立研究所等科学家开展国际合作，利用非弹性中子散射研究了新型112结构体系铁基超导体，成功发现了与费米面结构不直接相关的二维自旋共振模，满足长久以来提出的自旋三重态集体激发图像。该成果以Neutron Spin Resonance in the 112-Type Iron-Based Superconductor为题，于2018年3月27日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters 120, 137001 (2018))。

非常规超导微观机理是凝聚态物理前沿研究中长期悬而未决的重大难题。在铜氧化物、重费米子以及铁砷/铁硒化物等非常规超导体中，超导电性往往与反铁磁有序态相伴而生。与常规超导体中电子-声子耦合机制不同，非常规超导电性更可能与电子-电子自旋相互作用相关，最直接的证据就是中子散射实验发现的剧烈自旋涨落和自旋共振模。随着温度降低进入超导态，对应母体的反铁磁波矢附近的自旋激发强度会与超导发生共振效应，在某一能量附近形成自旋共振峰，峰强度的温度依赖与超导序参量非常类似，中心共振能量(ER)与超导临界温度(Tc)成正比 (图1)。关于自旋共振效应的物理起源有多种解释，其中最普遍认可的解释为：从自旋单态的超导库伯电子对到自旋三重态的粒子-空穴对激发，即为自旋数为1(Spin-1)的集体激发模。

铁基超导体自2008年发现以来，同样在绝大多数材料体系中发现了自旋共振模，说明自旋涨落在铁基超导微观机理中有着不可或缺的角色。由于铁基超导的多轨道特征，自旋共振模被认为是多重费米面嵌套下的能隙符号反转的超导电子配对证据之一。然而，自旋共振能量是否与超导临界温度成标度关系，自旋共振强度是否强烈依赖于费米面，以及自旋共振是否仍为Spin-1集体激发模，均是尚未取得一致结论的问题。由于铁基超导材料往往具有复杂的多轨道物理、多变的能隙大小和符号、强烈的自旋-轨道耦合等，对理解自旋共振以及非常规超导电性的微观机制造成了不同程度上的困扰，以上问题需要在更多的铁基超导体系中加以实验检验。

112型铁基超导体于2013年被发现，但因为大尺寸高质量单晶样品难以生长，相关的超导机理研究特别是中子散射实验一直比较匮乏。在本项研究工作中，物理所的罗会仟副研究员(青促会会员，唯一通讯作者)、李世亮研究员、博士生谢涛、龚冬良等，克服了晶体生长的重重困难，终于获得1500片高质量的Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2单晶样品（Tc=22 K），达到了非弹性中子散射实验的要求 (图2)。他们与国际合作者一起顺利开展了多次非弹性中子散射实验， 成功发现了中心能量为11 meV的自旋共振，自旋共振能几乎不随温度变化，且共振强度在动量空间具有很好的二维特征。进一步的极化中子散射分析认为自旋共振强度在自旋空间是几乎各向同性的 (图3)。因此，尽管112型铁基超导体的结构和费米面和其他体系相比变得更加复杂，其自旋共振峰却是极其简单的二维特性，意味着满足三重态集体激发模图像。该研究结果对理解铁基超导体自旋共振的微观起源乃至其超导机理都有重要的启示。

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院B类先导、中科院青促会等项目的支持。