《Journal of Alloys and Compounds》：U-doped GdFeAsO: A New Platform for Exploring 5
f-Electron Effects on High-Temperature Superconductivity in Iron Pnictides
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铁基超导体GdFeAsO中铀掺杂通过调控电子性质抑制自旋密度波不稳定，在掺杂量0.05-0.2时实现48K超导临界温度，揭示5f电子增强电子相关性和配对机制的作用。
何旭文|刘伟毅|袁登鹏|刘毅|黄大健|张云|刘秦|宋殿武|杨瑞珠|唐浩|秦震|夏阳|郝群清|杨向飞|冯伟|唐俊|谭世勇
中国绵阳621908，表面物理与化学实验室
摘要
基于铁的超导体，特别是1111型的GdFeAsO体系，是研究非常规超导性的关键平台。然而，通过先进的掺杂策略来优化关键参数仍然具有挑战性。本研究创新性地引入了铀元素在Gd位点的掺杂，以调节GdFeAsO体系的电子性质。通过真空辅助的固态合成和全面的表征，我们证明了铀的替代效果，并通过沿a轴和c轴的晶格收缩得到了证实。母体化合物在约128 K附近表现出明显的电阻率异常，这与自旋密度波（SDW）转变有关。值得注意的是，铀掺杂显著抑制了这种SDW不稳定性，在0.05 ≤ x ≤ 0.2的掺杂范围内出现了超导性，并且在最佳掺杂水平（x = 0.15）时达到了48 K的最高临界温度（Tc）。磁性研究也证实了这种掺铀GdFeAsO体系的超导性。对于x = 0.15的样品，施加的外部场极慢地抑制了超导性的出现，表明其具有相当高的上临界场。此外，铀的四价态和改变的电荷环境表明铀有效地将电子掺杂引入了该材料。这些结果展示了U-5f电子在增强电子关联和介导电子配对相互作用中的关键作用，共同促进了该体系中Tc的出现和优化。层状Gd1-xUxFeAsO材料具有可调的载流子密度、高的Tc以及稳健的体超导性质，是研究高温超导性基础物理和开发高性能超导器件的一个有前景的新平台。
引言
在LaFeAsO1-xFx化合物中发现26 K的临界温度（Tc）的超导性[1]，引发了人们对基于铁的超导体（FBS）家族的广泛研究兴趣。在这一突破性工作之后，已经报道了100多种不同的化合物，这些化合物根据其母体相的结构特征被系统地分为七大类：1111型、122型、111型、11型、1144型、21311型和42622型。这些材料因其独特的性质而成为理想的超导体系，这些性质使它们区别于传统的巴丁-库珀-施里弗（BCS）超导体（例如NbTi、Nb3Sn）和铜氧化物基超导体[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。在这些FBS家族中，1111型的LnFePnO体系（其中Ln代表镧系元素，通常是La、Sm、Gd或Tb，Pn代表硫属元素，通常是As或P）由于其卓越的Tc可调性和明确的结构-电子相关性[7]、[8]、[9]而成为研究的重点。从结构上看，LnFePnO晶格采用层状四方结构（空间群P4/nmm），由交替的Fe2Pn2导电层和Ln2O2电荷存储层组成——这种结构类似于铜氧化物的钙钛矿衍生物结构，但Fe中心的四面体（FePn4）取代了Cu中心的八面体（CuO6）[10]、[11]、[12]。关键的实验和理论研究证实，Fe2Pn2层是超导性的“发源地”：Fe 3d轨道与Pn 4p轨道杂化形成费米面，库珀对在这些层内形成[13]、[14]、[15]。相比之下，Ln2O2层不直接参与超导配对，但作为载流子来源，其中化学替代（例如用F-替代O2-，用Th4+替代Ln3+）引入自由载流子，这些载流子迁移到Fe2Pn2层，抑制反铁磁序并诱导超导性[13]、[16]、[17]。1111家族的一个定义性特征是，通过特定原子位置的化学替代可以调节载流子浓度，从而调节电子特性。
化学掺杂不仅是诱导FBS母体相（通常是反铁磁绝缘体或金属）超导性的基础技术，也是优化Tc和探索相图的有力工具。在过去的十年中，大量的实验工作确定了多种有效的FeAs基FBS掺杂剂，每种掺杂剂针对特定的原子位置并对电子和结构性质产生不同的影响：F在O位置（REFeAsO）[8]、[18]、[19]；Ni/Co在Fe位置（REFeAsO和AFe2As2）[20]、[21]；Th在RE位置（REFeAsO）[7]、[22]；Sr在RE/A位置（REFeAsO和AFe2As2）[23]、[24]；以及占据A位置的碱金属（AFe2As2）[25]。通常，这些元素替代策略主要调节载流子密度并修改晶体学参数——这两个相互关联的因素对于优化FBS材料的Tc至关重要[10]、[26]。值得注意的是，在所有通过化学掺杂合成的FBS化合物中，Gd1-xThxFeAsO的开创性研究显示了最高的Tc为56 K[7]，这一值特别重要，因为它是在常压下实现的（与需要压力来优化Tc的高Tc铜氧化物不同）。除了作为载流子来源外，5f元素Th的掺杂对于稳定含有较小镧系元素（例如Tb）的1111相也至关重要[22]。然而，5f元素在FBS中的作用远未完全研究清楚，阐明这一点对于确定非常规超导性的机制至关重要。另一方面，Th掺杂FBS体系中的磁屏蔽体积分数仍有很大的改进空间[7]、[22]、[27]。由于Gd1111体系（Gd1-xThxFeAsO）在硫属超导体中保持了最高的Tc，并且具有未来应用的潜力，因此需要进一步的研究。
显然，需要探索其他易于控制且能产生高体积分数的高Tc超导性的方法。在这项研究中，我们将另一种5f元素铀（U）引入到Gd1111体系中。我们系统地研究了Gd1-xUxFeAsO（0 ≤ x ≤ 0.35）的结构、磁性和输运性质，以阐明U掺杂在调节超导行为中的作用。通过成功的合成和全面的表征，我们展示了U掺杂在GdFeAsO体系中有效地诱导了稳健的体超导性，Tc达到了48 K，并且增强了磁屏蔽体积分数。本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了实验方法；第3节介绍了结构和成分分析；第4节报告了电学和磁性结果，并讨论了对理解非常规超导机制的意义；第5节总结了关键发现和未来展望。
实验
实验
多晶Gd1-xUxFeAsO样品（x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.25, 0.25, 和 0.35）是通过真空辅助的固态反应方法合成的，严格控制了前驱体的纯度和反应条件以最小化杂质相的形成。起始材料包括高纯度的FeAs、GdAs、Fe和Fe2O3粉末，纯度均超过99.95%，以确保最终产品的成分均匀性。U3O8前驱体的天然235U/238U比例为0.00725。
结果与讨论
图1(a)展示了层状化合物Gd1-xUxFeAsO的示意性晶体结构，其特征是沿[001]方向交替堆叠的Ln2O2和Fe2As2层。如图1(b)所示，Gd1-xUxFeAsO样品的粉末XRD图案表明，所有五种组成的主要衍射峰都可以精确地指数化为四方ZrCuSiAs型结构（空间群：P4/nmm）。对于未掺杂的母体相（x = 0，GdFeAsO），为单相结构
结论
总之，我们通过用U4+替代Gd3+在Ln位置，成功地在Gd1-xUxFeAsO体系中实现了体超导性。超导性出现在0.05 ≤ x ≤ 0.2的组成范围内，在最佳掺杂水平（x = 0.15）时达到了48 K的最高Tc。X射线衍射分析显示，所有合成的Gd1-xUxFeAsO样品都结晶为四方ZrCuSiAs型晶格，空间群为P4/nmm，这是1111型的典型晶体结构
CRediT作者贡献声明
杨向飞：验证、研究。
袁登鹏：撰写——审阅与编辑、方法论。
郝群清：可视化、研究。
刘伟毅：撰写——审阅与编辑、数据管理。
夏阳：验证、研究。
何旭文：撰写——初稿、数据管理。
秦震：可视化、研究。
唐浩：可视化、验证。
杨瑞珠：可视化、研究。
宋殿武：可视化、研究。
刘秦：研究、形式分析。
谭世勇：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号U23A2058）、四川省科技计划（项目编号2025NSFJQ0040）、表面物理与化学实验室科技基金（项目编号XKFZ202510）以及中国国家重点研发计划（项目编号2022YFA1402201）的支持。
