在常规超导体中,库柏对的配对和凝聚同时发生在超导临界温度Tc,而Tc以上的超导涨落温区就非常窄。这是因为在相干体积内的库柏对密度特别大,相干体积内成千上万个库柏对在空间上有很大程度的交叠。在部分二维性较强的铜氧化物高温超导体中,超导涨落非常强。而在铁基超导体中,大部分材料确表现出很窄的超导涨落温区。最近在FeSe超导块材中,由于超导能隙与费米能几乎可比,计算出来的单位相干长度或相干体积内的库玻对数目寥寥无几,因此认为它的超导电性处于Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)到玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,BEC)的交叠区域。他们进一步推论,如果在BEC极限下,该材料具有非常强的超导涨落,在超导临界温度以上存在着很宽的超导涨落温区。

为了研究这一问题,南大超导中心的杨欢、陈冠宇和闻海虎等测量了高质量的FeSe单晶的磁化、比热和能斯特效应。我们的结果表明该材料中的超导涨落并不强,虽然估算的材料的载流子浓度很低,但是其超导涨落仍然在BCS理论预言的临界涨落框架范围内。测量的高场下磁化数据见下图1(a),在该图中可以发现,磁化曲线在Tc以上的部分除了一定的背景信号外,超导相关的抗磁信号非常小。扣除顺磁背景信号后,不同磁场下超导相关的抗磁信号如图1(b)所示。可以发现该材料中超导涨落温区的确非常有限。

图1. (a) 不同磁场下FeSe的场冷(实心点)和零场冷(空心点)的磁化数据,黑实线为用居里外斯定律拟合的正常态背景的磁性号。(b) 扣除背景信号后的超导相关的不同磁场下的抗磁曲线。

 

进一步对该材料的比热测量(图2a)表明,该材料的电子比热在超导比热跃变温度以上,和超导涨落相关的比热系数的尾巴延伸的温度非常窄,和BEC图像下的比热有明显的差异。而能斯特测量也表明(图2b),除了一直扩展到结构相变的能斯特信号大的背景外,磁通运动导致的信号温区也非常窄,进一步证明了该材料超导涨落并不强。

图2. (a) FeSe单晶的电子比热数据和基于BCS的两能隙拟合结果,其中超导比热跃变温度约为8K。(b) 不同温度下的Nerst系数信号,插图给出了该图低温部分的放大图。

 

进一步结合表征超导涨落的金兹堡数(Gi)的计算,我们发现FeSe材料中的超导涨落和其他铁基超导体类似,超导临界温度以上的超导涨落非常弱。尽管该材料中相干体积内只有约31对库柏对,比常规超导体低两三个量级,但其超导转变任然是BCS平均场型的临界转变,对理论提出了新的实验问题。该工作发表在【Physical Review B 96, 064501 (2017)】上。

该工作得到国家重点研发计划、自然科学基金和江苏省科学基金的支持。