铁基超导的母体通常并不超导,通过对母体的掺杂获得了超导。但是掺杂原子的位置以及对超导电性的影响一直是国际社会关心的内容。南京大学物理学院闻海虎教授、杨欢副教授、王震宇同学、方德龙同学等成员首次在铁基111材料NaFe1-xCoxAs材料中发现了掺杂的杂质Co原子,并且发现该原子的散射很小,没有出现S±所对应的零能杂质态[PRB 86, 214512 (2012)]。他们进一步通过双掺杂,在NaFe1-xCoxAs材料中增加了掺杂原子Cu和Mn,经过磁化发现,掺杂的Cu原子没有引入额外的磁矩,而Mn原子引入较大的磁矩。因此从实验角度判定铜原子是非磁或者非常弱磁性杂质(比背景Fe或Co离子的磁矩还要小),而锰原子是磁性杂质。通过扫描隧道显微镜对样品的研究发现了掺杂的铜原子所在的位置,发现其掺杂铜原子的原子形貌(如下图1a),测量的掺杂铜原子杂质周围的隧道谱可以发现,在Cu原子位置会出现杂质态,扫描出不同掺杂原子所造成的不同原子形貌。通过杂质处和远离杂质处的隧道谱相减可以得到杂质的态密度,第一次观测到无磁杂质铜所诱导产生的能隙内杂质态密度及其在空间的演变规律(如下图1d)。

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图1. (a) 掺杂的铜原子形成的双锤形图形以及周围钴原子形成的浅色方块;(b) 超导态与正常态在非磁性的铜原子和远离铜原子处的隧道谱;(c) 超导温度下隧道谱随空间的演变,相减后可以看到明显的能隙内的杂质态(d)。

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图2. 掺杂的铜原子位置以及远离掺杂铜原子位置扣除高温背景后的隧道谱(a),以及两个曲线相减后得到的杂质态的谱形(b)。与基于s±配对机制的理论计算结果 (c,d) 基本一致,这是s±配对机制是铁基超导配对机制的一个有力证据。

这一实验结果与课题成员的理论基于s±配对的理论模型计算的结果一致,如下图2,从而判明了目前国际上争论较多的s±和s++中两大模型中,前者是唯一适用的。Nature Communication的评审人认为这是他(她)到目前为止,除理论之外,所看见的支持s±模型的最坚实的证据(”I consider this to be the first solidly convincing evidence (outside theory) for the S+- state.” 该工作于2013年11月发表在【Nature Communications 4, 2749 (2013)】上。

以上工作得到了基金委和科技部973项目的经费支持。