在所有铁基高温超导体中,FeSe超导体具有最简单的晶体结构,其配对对称性也有一定的争议。而FeSe单层膜可能有着铁基超导中最高Tc,费米面结构也较FeSe单晶发生了较大的变化。2015年发现的四方相FeS新超导体具有与FeSe相同的晶格结构和相似的能带结构,它的超导临界温度为4.5K。研究四方相FeS对帮助理解FeSe及铁基超导家族的配对机制是非常有必要的。

南京大学物理学院闻海虎教授小组的杨雄同学等在FeS超导体中利用扫描隧道显微镜做了一系列研究。测量发现,大部分隧道谱的零能态密度都比较高,另外超导相干峰分布也比较宽泛,平均值为1.08 meV,这对应于一个临界温度只有4.5 K的超导体来说是比较大的。

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图1. 隧道谱的Dynes模型拟合,其中空心点为0.4K测量的隧道谱数据,红色实心线为不同能隙函数的拟合数据,左侧插图为隧道谱底部的放大,右侧插图为拟合所用的能隙函数。

如图1所示,基于Dynes模型对隧道谱数据进行了各种能隙方程的拟合。其中,单带的各向异性S波和双带的s+d波的拟合更接近实验测量数据。因此,他们认为FeS的能隙具有高度的各向异性,甚至可能存在能隙节点。单带各向异性s波和双带s+d波能隙拟合都给出相似的超导能隙约为Δmax≈0.9 meV。Δmax/kBTc ≈ 4.65,该值大于在弱耦合极限下BCS理论的预言值3.53,表明该体系中的强耦合超导机制。

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图2. S原子位杂质测量的过杂质中心的线谱。其中左图为从杂质中心出发沿着箭头测量的系列谱线,右图为用远离杂质中心点的隧道谱归一化系列的隧道谱,能够很清楚地发现杂质态。

在FeS的解离面上观测到了两种杂质。其中一种为哑铃状的Fe位杂质,在该Fe位杂质处并未发现明显的束缚态。另一种杂质为S位杂质,呈现出四度对称的杂质形貌,如图2所示。在图2(a)中,发现在靠近S位杂质时隧道谱的零能态密度被轻微提高。为了更明显地观察S位杂质态,将S位杂质附近的隧道谱用远离S杂质的隧道谱进行归一化处理,得到图2(b),可以明显地观测到零能束缚态的出现。零能束缚态表明该S位杂质具有很强的局域散射势。

该工作率先报道了四方相FeS的低温扫描隧道显微镜测量结果,发现其超导能隙存在各向异性甚至可能存在能细节点。Δmax≈0.9 meV。Δmax/kBTc ≈ 4.65表明了FeS强耦合超导机制。这一工作对理解FeS的超导配对机制有很好的促进作用。

该工作的作者是:杨雄,杜增义,杜冠,顾强强,林海,方德龙,杨欢,祝熙宇和闻海虎。相关结果于2016年7月27日发表在【Phys. Rev. B 94, 024521 (2016)】上。