电子向列相是转动对称性破缺而平移对称性或长程取向序仍然保持的电子态。电子向列相作为一种和超导、磁有序、电荷序等相互作用的量子序，对理解高温超导的微观起源有重要意义。理论上认为，向列相及其涨落区域中的向列自旋关联（自旋激发各向异性），对理解电子向列相的起源至关重要。
在铁基超导体中，当发生电子向列相变时，材料从四方相进入正交相，在材料中产生了方向不同的两种孪晶，使得人们难以获得体系在向列相中的本征电子性质。结合单轴压力作为退孪晶手段，物理学系鲁兴业及其合作者采用中子散射开展实验研究，取得了一系列进展(图1(a),(b))。然而，对于铁硒（FeSe）这一研究电子向列相的理想体系，受限于FeSe单晶难以直接施加单轴压力的缺点，其本征磁激发和向列自旋关联的研究一直难以开展。
2018年，鲁兴业和美国莱斯大学的戴鹏程教授团队一起测试和发展了FeSe单晶的间接退孪晶方法。在这种方法中，他们将FeSe单晶通过无氢胶粘贴到沿特定方向切割好的方形BaFe2As2单晶的表面（图1(c),(d)）。而BaFe2As2单晶则置于他们常用的单轴压力退孪晶装置中（图1(a)）。上述方法虽然可以用于在低温下观测低能磁激发，但是对能量大于10meV的自旋激发谱无能为力，此外，该方法也很难用于研究向列相变(Ts»90K)附近磁激发谱的演化。为了克服上述困难，进一步厘清向列自旋关联的能量尺度及其随温度的演化，鲁兴业课题组和瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institut)瑞士光源的Thorsten Schmitt团队合作，结合间接退孪晶技术，采用共振非弹性X射线散射(RIXS)成功测量了退孪晶FeSe的高能磁激发谱（图2和图3）。研究结果表明铁硒中的电子向列相很可能是基于局域磁矩的自旋自由度驱动的向列相。该研究为理解铁基超导体中的电子向列相起源问题提供了全新角度的实验依据。
上述研究成果近日以《Spin-excitation anisotropy in the nematic state of detwinned FeSe》为题发表在物理类学术期刊《Nature Physics》上。该研究由鲁兴业课题组、戴鹏程课题组、莱斯大学斯其苗教授、中国人民大学俞榕教授、以及Thorsten Schmitt团队合作完成。北京师范大学物理学系鲁兴业教授为论文的第一作者和通讯作者，戴鹏程教授和Thorsten Schmitt博士为论文的共同通讯作者。北京师范大学物理学系（以及高等量子研究中心、应用光学北京市重点实验室）为论文的第一单位。研究工作采用的FeSe单晶由戴鹏程教授课题组的博士生陈童提供，RIXS实验在瑞士光源ADRESS光束线上的RIXS谱仪上完成。斯其苗教授和俞榕教授为该工作提供了理论支持。该研究工作得到了科技部“物态调控”重点研发项目，国家自然科学基金优青项目和重点项目的资助。
图 1. (a) 适用于BaFe2As2等材料的原位单轴压力退孪晶装置（采用6061铝合金制成）。(b) BaFe2As2在零压和单轴压力下的正交晶格畸变，采用中子拉莫尔衍射技术测得。(c) FeSe间接退孪晶方法原理示意图。(d) 表面粘满FeSe单晶的BaFe2As2单晶。(e) 退孪晶FeSe中子实验中，样品的退孪晶效率测量。(c)-(e)图摘自Nat. Mater. 18, 709 (2019)。
图 2 (a) FeSe的面内结构。(b) RIXS实验中所用实验装置和样品照片。(c), (d) RIXS实验中的散射几何构型和动量转移在倒空间中投影的计算。(e) FeSe在Fe-L3共振吸收边的吸收谱(XAS)总荧光产量(TFY)和磁激发积分强度的比较（绿色圆点，从(f)图对应的谱中获得）。(f) 入射能量依赖的RIXS强度谱图。黑色箭头指向的信号为磁激发。
图 3 (a) 沿退孪晶FeSe的高对称H方向（实线）和K方向（虚线）的动量依赖的RIXS能谱。彩色阴影区域对应两个方向磁激发的强度差异。(b) 沿孪晶FeSe的[H, H]方向的动量依赖的RIXS能谱。