铁基超导体是继铜氧化物超导体之后被发现的另一个高温超导体系,近年来引起了广泛的关注。在其被发现之初,理论家们就提出了一个非常规的配对机制,认为不同费米面上的准粒子通过交换反铁磁涨落实现配对,从而导致了不同费米面上符号相反的自旋单态的超导序参量,被称为S±的配对形式。

根据这个图像,随着掺杂量的改变,费米面构型的变化以及交换反铁磁涨落导致的三维配对相互作用有可能会在动量空间的某些位置上出现能隙节点;当然,应该有更多的几率可以观测到多个没有节点的能隙。大量ARPES的数据确实表明多个无节点能隙的存在。但是其它一些测量手段,包括热导、超流密度和核磁共振等也支持了能隙节点存在的可能性。作为探测实空间电子态密度分布的有力手段,STM/STS测量在对铜氧化物高温超导体的研究中与具有动量空间分辨能力的ARPES形成了很好的互补,给出了一些重要的信息。然而对于铁基超导体,STM/STS测量一直没有给出多个无节点能隙的直接证据,对样品质量和实验过程本身都提出了挑战。

另一方面,铁基超导体的发现为人们研究磁通物理中一些基本的问题提供了一个新的平台。我们知道,对于一个II类超导体,当外加磁场超过下临界场时,磁场会以量子化的形式进入超导体内部形成磁通。理论计算表明磁通芯子里面有准粒子束缚态的存在,束缚态的具体形式与材料的超导序参量的对称性,能带结构和电子的关联性有密切联系。对于传统II类超导体,这种磁通束缚态早已经被STM/STS实验证实,表现为一个零能附近的态密度尖峰。非常奇怪的是,理论预期的磁通束缚态却没有在多带超导体(例如MgB2)和高温超导体中被确切地证实。铁基超导体是多带高温超导体,为我们重新审视这个物理问题提供了一个契机。

在过去的几年里,闻海虎教授领导的小组与美国休斯顿大学的潘庶亨教授合作,自主设计搭建了一台高稳定度的低温强磁场STM/STS。利用这台仪器闻海虎教授等人开展了铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2As2的能隙和磁通态的测量(样品由沈冰博士提供),首次在STM/STS测量中证实了多个无节点能隙,而且首次在多带高温超导体中发现了处于量子极限下的磁通束缚态,与理论预期可以很好的吻合。该工作的理论计算是与南京大学的王强华教授的小组合作的。

能隙测量的部分结果显示在图1中。如图1(a)所示,在不同解理面上或者不同位置上测量到的隧道谱都可以看到两个能隙的特征(在其它的部分数据中还可以清楚地辨别第三个能隙的存在。)。细致的实验测量表明,大量的谱线在零能附近表现为有限能量范围内的零电导,也就是说在实验精度之内没有准粒子激发。这说明我们测量到的能隙应该没有节点。在不同解理面上得到的能隙值的统计结果显示在图1(a)和(b),可以看到对隧道谱测量贡献最为突出的两个能隙分布在3.5meV和8meV附近。这是首次从STM/STS实验给出直接的多个无节点能隙的证据,有力地支持了多带S波超导电性(S++或者S±)的图像。

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同时,我们也必须指出的是,要很好地用两个分量模型来拟合隧道谱,明显的能隙各向异性又是必须的。磁通测量的部分结果显示在图2中。图2(a)和(b)是分别在9特斯拉和4特斯拉下测量的磁通图像。自关联和二维傅里叶变换分析表明,磁通的排布接近于六角格子。如果沿着图2(c)中白线所示的轨迹穿过一个单磁通,并连续采集隧道谱的话,如图2(d)所示,可以看到磁通芯子内部具有清晰的电导峰,对应于磁通引起的准粒子束缚态。如果考虑到样品本身的能带结构,这种束缚态在空间上的演变可以用基于多带S波超导电性的模型很好地描述。这种处于量子极限的磁通束缚态是首次在多带超导体和高温超导体中被明确地证实。

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以上有关磁通测量的结果发表在【Nature Physics 7, 325-331 (2011)】上。关于多个无节点能隙的测量结果作为Rapid Communication发表在【Phy. Rev. B 83, 060510(R)(2011)】,并被选为该期的Editor’s suggestion。