层状超导体的探索和物性研究一直是超导物理乃至凝聚态物理学界的前沿领域,科学家可以通过改变超导层之间的载流子库层的种类以及层数等特点来不断设计探索新的超导体系。2012年日本Mizuguchi小组发现了新型层状BiS2基超导体Bi4O4S3和LaO1-xFxBiS2,理论研究推测超导电性源自于铋硫层。由于它与铜氧化物高温超导体和铁基高温超导体具有类似的层状结构,新型层状BiS2基超导体的发现掀起了新一轮探索新超导材料和研究超导机理的热潮,为超导物理研究注入了新的活力,同时也带来了新的挑战。

南京大学物理学院闻海虎小组的刘建忠同学,以及祝熙宇和杨欢等采用CsCl和KCl混合助溶剂成功成长出NdO1-xFxBiS2超导单晶,成为世界上最早生长出BiS2基超导单晶的小组之一,并通过x射线衍射和劳厄衍射等手段证明BiS2基超导单晶具有高质量。通过面内转角电阻的测量和GL理论分析,第一次确定了NdO1-xFxBiS2超导单晶的各向异性度(γ ~ 30-50,如图1)。这个各向异性度很大,比铜氧化合物YBa2Cu3O7(γ ~ 5-10)高很多,比Bi2212系统要低(γ ~ 100),因此应该期待可以获得约瑟夫森磁通态。

图1. (a)、(b)、(c)分别为3K、3.5K和4K温度下的转角面内电阻,q为磁场和样品c轴之间的角度。 (d)根据GL理论公式将不同磁场下的曲线归为一条很好的曲线,得到不同温度下的各向异性γ。

图2.(a)不同温度下能斯特信号随磁场的变化关系。(b)不同磁场下能斯特系数随温度的变化关系。

同时,他们通过斯特测量、面内转角电阻的测量和扫描隧道谱测量的具体分析和研究,发现在超导转变温度以上有很强的超导涨落。图2(a)显示,在10K温度下,能斯特信号呈现出理论预言的随磁场先增大后下降的现象,而这种现象一直持续到20K左右才消失。另外,能斯特系数应该在超导转变温度附近开始偏离正常态,而图2(b)中显示能斯特系数在20K左右就开始偏离正常态,虽然NdO1-xFxBiS2单晶的超导转变温度仅仅约为4.83 K。因此说明了在超导转变温度以上的更高温度存在很强的超导涨落。相关结果发表于【EPL 106,67002 (2014)】。