自从2008年初在铁基超导体体系中发现26 K的超导电性以后,人们从材料和物理两个角度均取得了重要进展。超导机理问题迅即成为本领域的核心问题。 从一开始人们就发现,未掺杂的母体材料是一个反铁磁相,当这个反铁磁相被压制以后,超导才会出现并逐渐增强(如图1所示)。这一点与铜氧化物超导体极为类似。另外,在很多铁基超导体系统中,如1111相和122相,与反铁磁相相对应的波矢和铁砷基材料中特有的连接空穴和费米面的波矢刚好比较匹配,因此一种自然的超导配对图像是两个电子通过交换反铁磁涨落,从电子(空穴)费米面散射到空穴(电子)费米面,从而导致电子配对。费米面的情况见图2d,中间为空穴费米面,周围四个为电子费米面。这种图像下,最简单的能隙形式是各个费米面上面形成各向同性的S波,然而空穴和电子费米面上面的能隙符号相反。闻海虎教授领导的小组利用精细的Hall效应测量发现,多带(或多能隙)是铁基超导体的主要特征,一旦多带效应消失,超导就同时消失,见文章【L. Fang et al., Phys. Rev. B 80, 140508 (R) (2009)】。同时,他们还与加拿大的McMaster大学的Imai教授小组合作,开展了不同掺杂样品的核磁共振实验,发现当反铁磁自旋涨落消失的时候,超导也消失,见文章【F. L. Ning et al., Phys. Rev. Lett. 104, 037001 (2010)】。这两个实验表明,多带效应和反铁磁涨落与超导的形成密切相关,因此间接支持了以上的图像。

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图1. Ba(Fe1-xCox)2As2 系统的电子态相图。未掺杂的母体是一个反铁磁相。它被压制以后,超导开始出现。

然而,真实的系统总是表现出更多的复杂性。铁基超导体中,有多组磁交换作用(近邻,次近邻和Z方向),费米面间的电子散射也不只是电子和空穴之间,两个电子费米面之间,空穴和电子费米面内部也会有电子散射。随着系统参量的改变,如增强带内散射,一些理论工作预期能隙在费米面上面应该表现出强的各向异性,甚至有能隙为零的地方(称为节点)出现。之前的角分辨光电子谱实验总是发现在大部分的费米面上面出现的均为各向同性的S波,然而很多体测量的实验(如核磁共振,热导,比热等)却发现,低能情况下有大量的未配对的单电子出现,因此说明能隙在费米面的某些地方,应该有极小或零值(节点)的出现。但是要用体测量的方式证明能隙出现的振荡和极小值的位置一直很困难。

测量能隙的各向异性有很多方法,最主要的有角分辨光电子谱和扫描隧道显微镜方法。然而,这两种方法均强烈依赖于样品的表面质量,同时任何形式的表面态再构均对测量结果及其解释造成不确定。一种既反应样品体性质,又能测量能隙变化的手段是角度依赖的热力学量(如比热)的测量,即改变磁场和晶体轴之间的角度,测量热力学量。其原理是依赖于磁场对库柏对的拆散过程,拆散库柏对的多少(即费米面的电子态密度)随磁场和样品的晶轴之间的角度变化关系与能隙结构密切相关。闻海虎教授等研究人员一直潜心于精密比热的测量,最近开发出角度分辨的比热测量装置。利用这种手段,闻海虎教授领导的小组测量了铁基超导体FeSe0.45Te0.55Tc=14.5 K,物理所罗会仟博士和戴鹏程研究员提供)的角度依赖的比热,发现比热有四度振荡行为,说明能隙有强烈的各向异性,而且第一次确认能隙的最小方向出现在电子-空穴费米面连线(即Fe-Fe连线)方向,这激起了铁基超导体配对机制研究方面很大的兴趣。该工作的计算和理论部分与物理所向涛研究员和美国海军实验室的Igor Mazin博士合作完成。

他们的核心结果显示在图2中,可以看出在低温(2.6 – 2.7 K)温度下,比热在Fe-Fe键方向出现极小(图2b),而且四度振荡非常清晰。但是当温度上升到3.7 K左右时,极大和极小之间出现了调换(图2a),即最小出现在Fe-Se-Fe方向。这种极大和极小之间的交换是由于磁场平行于FeSe面时,两种磁通格子能量极为接近,理论上对于各向异性超导体有预言,而且在重费米子超导体和YNi2B2C中已经被证实。

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图2. 超导体FeSe0.45Te0.55的转角比热及其理论解释。(a)和(b)显示的是比热在不同温度下的角度依赖关系,可以看出在2.6K左右,比热表现出四度振荡,红线给出的是基于d-波和S±模型(电子费米面没有椭圆度)计算的结果。 (c) 固定测量两个角度α=0,45度之间的比热差值随温度的变化。(d) 铁基超导体的费米面,中间围绕Γ点的是2-3套空穴型费米面;周围围绕M点的是电子型费米面。根据我们的测量,能隙极小应该出现在圆点和红色短线的位置。结合其他测量结果,可以排除能隙极小出现在中间空穴型费米面上面。

理论学家Chubukov和 Eremin【Phys. Rev. B 82, 060504(R) (2010)】结合这个实验迅速作出解释,由于考虑电子系统与不同磁交换之间的相互作用,造成带间和带内的散射,电子费米面上面的能隙可以被写成一个S波分量叠加一个各向异性的d-波分量,即 ,这里是从电子-电子口袋连线算起的夹角,r是控制带内散射量大小的参量,从而控制能隙各向异性的参量。当r=0时,典型的S-波;r<1时,能隙有各向异性;r>1时,能隙会出现节点,象d-波能隙。如果把这个能隙函数放到超导态单电子的态密度计算比热时,发现比热应该在α=45度的地方(此时,H||Fe-Fe)出现极小,这与实验结果一致。根据该公式计算的能隙显示在图3(a)中,可见伴随系统参量r的变化,能隙各向异性逐渐增强,最后甚至出现节点。

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图3. (a) 基于带内和带间散射模型,电子口袋上面的能隙随角度的变化关系,r控制着各向异性的大小。(b)和(c):计算得到的每个费米面上面的费米速度。电子外口袋,面内速度均匀,但是,c-方向速度不均匀;电子内口袋,面内速度不均匀,c-方向速度均匀。(b)和(c):计算得到的FeSeTe系统的费米面形状和每个费米面上面的费米速度。电子外口袋,面内速度均匀,但是,c-方向速度不均匀;电子内口袋,面内速度不均匀,c-方向速度均匀。

本工作从体测量的角度明确证明了铁基超导体FeSe0.45Te0.55中能隙有各向异性,并且精确测定了能隙振荡的方式和角度。伴随体系参量的演变,电子与反铁磁自旋涨落之间相互作用导致的带内和带间散射也会变化,因此超导能隙可以从一个各向同性的S-波向有节点的能隙状态转变。该工作发表于【B. Zeng et al., Nature Communications 1:115 (2010)】。