铁基超导体自从2008年发现至今,其机理问题仍然没有得到解决。铁硒(FeSe)作为结构最简单的铁基超导体,由于具有许多有趣的物理性质而备受关注。超导电子配对的强弱和方式直接反映在超导能隙大小和结构信息上,因此确定铁硒超导体的能隙大小和结构非常重要。铁硒超导体已经表现出丰富多彩的性质,例如FeSe超导体在压力下的性质如何演变,超导能隙的结构,以及Tc以上超导涨落的强弱等,都是现在热议的话题。在FeSe超导能隙结构的研究方面,早期的扫描隧道谱实验测量到的V形能谱似乎表明FeSe的能隙是带有节点的。然而,后来的比热和热导等实验结果均显示FeSe的能隙结构却是没有节点的,尽管可能具有极度各向异性。为了研究这一问题,南京大学超导物理和材料研究中心的闻海虎教授课题组的陈冠宇等利用极低温比热的手段对高质量的FeSe单晶进行研究。他们的研究结果显示,FeSe的超导能隙结构虽然具有极度各向异性,但是没有节点。另外,他们还在1.08 K左右观察到一个相变信号,认为该信号极有可能反映了FeSe在常压下的反铁磁序。以下为他们的实验结果。

图1.(a)FeSe在零磁场下的比热,红色线是对正常态比热的拟合结果;(b)扣除正常态背景后得到的在零磁场下的超导电子比热。在1.08K附近有一个相变发生。

 

FeSe在零场下的比热数据如图1(a)所示。在Tc = 8.2 K处,我们可以清楚地观察到超导相变引起的比热反常。除此之外,比热数据在约1.08 K处也有一个跳变信号,他们分析了多种原因以后,认为这有可能是FeSe的反铁磁相变信号。图1(b)为扣除正常态比热后得到的FeSe在零磁场下的超导电子比热,Tc处的超导相变信号和1.08 K处的跳变仍然可以被清晰地观察到。

图2为他们利用不同能隙模型拟合FeSe比热数据所得到的结果。我们可以看到,无论是单独的s波、d波、扩展s波△es = △0(1+αcos2θ),还是两个各向同性s波组合的模型,都无法很好地描述实验数据。因此,他们又尝试用一个各向同性s波加上一个扩展s波的模型拟合数据。最终,他们发现当α= 0.9时,拟合线能很好地描述数据,且基本满足熵守恒条件,如图2(b)所示。从这个结论可以看出,铁硒超导的能隙各向异性非常强,但是是没有节点的,能隙极小值大约是0.15 mV左右。

图2. 利用不同的能隙结构函数拟合比热数据所得的结果,扩展s波使用的能隙方程是△es = △0(1+αcos2θ)。(a) 单独的s波、d波和扩展s波能隙对比热数据的拟合结果;(b) 两个各向同性s波,以及一个各向同性s波加上一个无节点扩展s波的拟合结果;(c) 各项同性s波加上有节点的扩展s波拟合的结果。只有α = 0.9时拟合最好。

由此他们得出结论,FeSe的超导能隙结构具有极度各向异性,且无节点。这个结论对理论上探讨配对机制起到了重要作用。该工作发表于【Physical Review B 96, 064524 (2017)】。

本文作者为陈冠宇、祝熙宇副教授、杨欢教授和闻海虎教授。该工作得到国家自然科学基金委,科技部国家重点研究和发展项目和教育部985计划的支持,作者对此表示感谢。