超导现象是固体中的电子发生配对和量子凝聚的现象。由于超导态载流子是库珀电子对,具有类玻色特性,因此在一定温度以下,会凝聚到一个更低能量的宏观量子相干态,表现出电阻为零和完全抗磁性等性质。对超导体奇异性质的研究,不仅会大大推动凝聚态物理的前沿发展,同时会为人类带来许多重要的,甚至是不可替代的应用。高温超导机理研究的核心内容是关于电子对形成的原因。闻海虎教授小组长期致力于高温超导机理问题的研究,最近在铁基超导机制的研究方面取得了重要新进展。最新的进展是他们在(Li1-xFex)OHFeSe超导体中发现双超导能隙特征,并且第一次在只有电子费米面存在时甄别出来有两套套叠的费米面以及相应的能隙,解决了此方向的一个难题;同时还发现超强的超导能隙和转变温度的比值,把铁基超导体明确归类为非-电声子耦合型超导体。该工作于2016年1月29日发表在Nature Communications 7, 10565(2016),下面是关于该工作较详细的描述。

超导态一旦形成,如果想从此低能超导凝聚体中激发一个单电子就需要一定能量。这个能量被通称为超导能隙,它对超导态起到保护屏障的作用。这也是为什么超导态能够在有限温度下存在的原因。利用扫描隧道谱技术,能够直接测量这个能隙,包括超导能隙的大小和结构,并进一步获得电子配对的机理。最近几年,国际上发现了一些基于FeSe(铁硒层)的新型超导体。电子结构测量发现这些超导体中只出现了一套电子费米面,然而隧道谱上看总是观测到两个超导能隙。为什么在一套费米面上出现了两个超导能隙,这是近几年困扰学术界的一个悬而未决的问题。此外,如果只有电子型费米面,没有了空穴费米面,理论预言的S+-模型是否还正确?

闻海虎教授小组利用在南京大学建立的综合实验条件,生长出高质量的(Li1-xFex)OHFeSe高温超导单晶,并对该超导体的扫描隧道谱进行了深入的研究。该超导体原子结构如图1b示意图所示。在远离杂质点测量到的隧道谱如图1c所示,表现出清晰的双能隙结构。对在一个样品的同一解理面内测量到的98条曲线进行统计,发现超导能隙分成为两组(如图1d所示),其中心位置大约在14.3和8.6毫电子伏特。如果用大能隙值(14.3 meV)代入计算发现2Δ/Tc = 8.7, 这个比值远远大于基于电声子耦合导致电子配对的巴丁-库珀-施瑞弗理论值(2Δ/Tc = 3.53)(1972年诺贝尔物理学奖)。因此这个新结果揭示铁基超导不是通过简单电声子耦合实现的。

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图1. (a). (Li1-xFex)OHFeSe超导体解理后露出的硒原子面(周期性亮点)和杂质点(哑铃状亮点)。(b). (Li1-xFex)OHFeSe原子结构示意图。 (c). 远离杂质点测量到的典型隧道谱形状,可以清晰看见两个能隙结构。(d). 在一个解理面上测量的98条谱上能隙的统计结果。

了仔细分辨隧道谱上面所发现的两个超导能隙的起源,闻教授他们利用了一种称为准粒子散射相干技术(quasiparticle interference,简称QPI)。超导态库珀对被杂质破坏以后,形成单电子态,这些单电子表现出行波形式,而这些电子波又被杂质所散射形成一定的驻波态,在超导体表面稳定存在并被空间分辨的扫描隧道谱直接测量出来。有个形象的比喻是池塘中的水波如果被露出水面的石头所散射,也会形成一定的驻波态,根据这个驻波态的形式,可以分析池塘中露出水面的石头个数和分布情况。同样的道理,测量到电子因为散射相干形成的驻波态以后,就可以通过傅立叶变化到倒易空间,得以获得电子结构信息,如费米面,超导能隙特征等,这就是QPI技术。图2a显示的就是在解理面上,在大能隙的能量附近,测量到的QPI图谱。图2b和2c就是在不同能量测量到的电子驻波态,经过傅立叶变换后的图案,可以清晰看见不同费米面的信息。图2d是理论上预测的经过能带叠加(或杂化后)电子费米面图。根据这样一个费米面的信息得到的QPI模拟结果放在图2e中,可以看出模拟结果与实验结果大致相似。

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图2.(a). 在能量为14.5mV测量到的微分电导(dI/dV, 对应电子态密度)在空间的分布。可以看见一些电子波干涉的图案。(b). 图(a)中的电子干涉图谱经过傅立叶变换以后的图案。(c).同样方法在小能隙能量附近8.6mV测量到的QPI图案。(d).理论预测的大概费米面图形。(e).根据(d)中的费米面信息所做的模拟QPI图案,与实验结果(b,c)相似。(f,g). 小动量散射的QPI图案,反映的是费米面内部散射的信息。

为了更清楚地研究双能隙对应费米面和超导能隙的情况,他们又特别精细地测量了大面积实空间的电子相干图谱,这样反演到倒易空间,清晰度可以大大提高。一般这样一个图谱要稳定测量1-2天,而且要保证针尖不能偏离原子位置,难度极大。如图3所示,通过改变能量,他们发现在低能部分,没有费米面出现,证明超导能隙是完整的(fully gapped)。然而逐渐增加能量的时候,在接近或达到小能隙能量的时候,第一套费米面(波矢较小)浮现出来。再继续增加能量,他们发现另外一套费米面逐渐显露,在达到大能隙的时候,第二套费米面已经变得很清晰,形成了明显的里外层费米面套叠的情况。根据外套费米面在更高能量出现的事实,合理的推论是大能隙对应外套费米面,而小能隙对应内套费米面。这是在只包含电子费米面的众多铁硒基材料中,第一次甄别出内外两套费米面,并且与双能隙结构联系起来。

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图3. 上图(a-j) 根据相应能量测量到的态密度空间图谱,通过傅立叶变换以后获得的倒易空间电子结构的信息。在小能量的时候,内套费米面先显露出来;在大能量的时候,外套费米面开始显露。因此可以推论,存在由于费米面套叠或杂化形成的内外套费米面,而大(小)能隙对应外(内)套费米面。下图为上图所有能量图片的动画演示。

本项研究第一次清楚地说明了在只有电子型费米面存在的铁硒基的高温超导体中,为什么有双能隙的特征。其意义体现在以下几个方面:(1)在一种典型铁硒基高温超导体中,观察到双能隙特征,与引起广泛关注的铁硒单层膜上的数据极其相似,也许内在物理是一致的;(2)在早期大量的实验数据都认为只有一套电子型费米面时,该工作第一次甄别出来内外两套靠得很近的费米面,并获得了相应的超导能隙的特征;(3)超强的能隙和转变温度的比值把铁基超导体完全归类于非电声子耦合导致的电子配对。这个重要进展将大大推动铁基超导机理问题的解决。

此项研究是闻海虎教授小组在南京大学取得的系列成果的最新进展。此前他们发现了无磁性杂质诱导的电子相干态,这是理论上预言的支持S+-模型的指纹性证据,因此国际同行认为“这是迄今为止他所看见的支持S+-模型的最坚实的实验证据”。该工作于2013年11月发表在Nature Communications 4, 2749(2013)。同时,他们在两个完全不同铁基超导体系中,还发现了与超导密切相关的新的能量尺度 W(即玻色模),说明铁基超导电子配对与磁相互作用密切相关,该工作于2013年1月发表在Nature Physics 9, 42(2013)。目前,该小组还在深入研究,力争在铁基超导机理问题解决的过程中做出最终决定性的成果。

该最新成果是闻海虎教授小组独立完成的。扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由杜增义,杨雄,方德龙,杜冠同学,杨欢教授和闻海虎教授完成;样品制备和表征是由林海,邢捷同学和祝熙宇副教授完成;杜增义,杨雄和林海为同等贡献第一作者;杨欢和闻海虎为共同通讯作者;闻海虎协调了整个工作进展。

此工作得到教育部985计划,科技部973计划和自然科学基金委的支持,在此一并表示感谢。