超导是凝聚态物质中电子系统的奇异量子态,表现出零电阻和完全抗磁性(即迈斯纳效应)。因此超导现象不仅具有重要的科学意义,同时有很多潜在的,甚至是不可替代的应用。世界上各发达国家都非常重视,投巨资进行研究。我国在超导研究方面也有很好的基础,特别是在铁基超导体方面,我国科学家开展了大量的开创性和深入的研究,引起了世界学术界的广泛关注。

在超导研究中,有一个重大科学问题是如何获得更高的超导转变温度。超导态需要电子配对和凝聚才能形成,因此研究如何配对是其中的核心问题。传统的超导理论,即BCS理论认为,超导是由于两个电子通过交换原子晶格的虚拟振动(即所谓的声子)而达到配对,同时这些电子在低能态凝聚,形成超导。对于一个新超导体,首当其冲的是了解其电子配对的机理。铁基超导体是目前的研究热点,关于电子配对机制有多种不同的物理图像。南京大学物理学院闻海虎教授,王震宇同学,杨欢副教授等,仔细测量了铁基超导体的电子隧道谱,揭示了铁基超导体中一种集体激发模式(玻色模),并发现它们与超导之间有密切的关系。这个工作明确了超导的磁性配对起源,并大大促进了对超导机理问题的认识。

他们的主要结果显示在图1和图2中。在图1中,a和b分别显示的是闻海虎小组在铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2As2和Na(Fe0.975Co0.025)As中测量到的隧道谱,在中间对称的超导主峰之外,还存在一个明显的峰(见红色虚线所示),这个峰一般被认为是超导体中的电子与一个集体激发模(如声子)之间相互作用的结果。图1c显示的是在Na(Fe0.975Co0.025)As中,为了准确确定这个玻色模的位置而做成二阶导数,同样用红线标出玻色模的位置。

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图1. 在(a) Ba0.6K0.4Fe2As2和(b) Na(Fe0.975Co0.025)As中测量到的隧道谱, 红色线条是玻色的位置。(c) 给出了Na(Fe0.975Co0.025)As隧道谱的二级导数,更好地定出玻色模的位置。

图2. 遂道谱定出来的玻色模能量与超导转变温度之间的关系(实心点),空心点是中子散射定出来的共振峰的能量

令人惊奇的是这两个完全不同样品中的玻色模位置与中子散射结果(数据由田纳西大学和中科院物理所戴鹏程教授小组合作完成)定出来的磁激发谱上面的共振峰很接近。如图2所示,玻色模能量与超导转变温度之间呈现一个很好的线性关系Ω/kBTc ≈ 4.3。这样一个结果可以解释磁激发的玻色模可能就是导致电子配对的根本机制(计算由物理学院王强华教授完成)。此结果还提示,该玻色模是电子通过磁机制配对以后产生的一个结果。该实验结果将会激励更多的理论和实验研究,并促进最终解决铁基超导体机理问题。该工作作为 Article于2013年1月发表在Nature Physics 上面【Nature Physics 9, 42 (2013)】。以上工作得到了基金委和科技部973项目的经费支持。