铁基超导体被广泛接受的配对对称性是s±配对,即超导能隙不存在能隙节点,但是对于空穴型费米口袋和电子型费米口袋上的能隙存在反号。而重度电子掺杂的一些FeSe基材料,如FeSe单层膜、Li1-xFexOHFeSe等,仅存在电子型的费米口袋,这似乎动摇了基于同时具有电子和空穴费米面结构所提出的s±配对模型的基础。而如果反铁磁涨落仍然是这类FeSe基超导体电子配对的媒介,那么超导序参量必须存在反号。我们先前利用一种基于傅立叶变换后的微分电导实部差的电子驻波相位敏感实验方案[Phys. Rev. B 92, 184513 (2015)],实验发现了没有空穴费米面的铁基超导体Li1-xFexOHFeSe仍然具有能隙符号反转行为,因此统一了是否有空穴型费米面的铁基超导体能隙结构的认识,该工作发表在Nature Physics 14, 134-139 (2018)上。

最近,Chi等人又提出了新的相位参考QPI方案[arXiv:1710.09088,arXiv:1710.09089],他们的方案同样基于单杂质位于实空间图像的中心位置,在其产生的能隙内束缚态能量附近用扫描隧道显微镜进行准粒子相干(Quai-particle Interference, QPI)数据ρ(r,E)的测量,并对其傅立叶变换后得到ρ(q,E)。傅立叶变换后的结果是一个复数,以正能量下的相位θq,+E为参考相位,定义正负能下的相位参考量表达式为:

gr(q,+E) = |ρ(q,+E)|,

gr(q,-E) = |ρ(q,-E)|cos(θq,-E θq,+E).

其中,gr(q,+E)始终是正值,而gr(q,-E)是真正相位参考的量。该文献指出,对于无磁性杂质在s±配对的情况下,初末态序参量反号散射的相位参考项cos(θq,-E θq,+E)是-1;而对于s++配对,其值是+1。因为此方法在杂质束缚态能量进行,因此被简称为DBS-(Defect bound state)QPI方法而对能带间的散射区域进行积分得到积分信号。对于磁性杂质,同号超导能隙费米口袋之间的散射在杂质束缚态能量处的信号为正;而对于非磁性杂质,异号超导能隙费米口袋之间的散射在杂质束缚态能量处的信号为负且出现一个峰值。

图1. Li1-xFexOHFe1-yZnySe超导能隙符号的DBS相位参考方法的甄别 (a) 基于插图费米面结构不同配对对称性下计算出来的隧道谱;(b) 理论计算出来的相位参考量gr(qE)在q空间的积分结果;(c) 实验测量的某个杂质附近和远离杂质的隧道谱;(d) 实验测量并积分出的相位参考量gr(qE)随能量的变化。

该方法同样在Li1-xFexOHFe1-yZnySe材料中适用,基于仅有内外电子口袋的计算结果如图1(a,b)所示。而实验测量的隧道谱中,如图1(c)所示,杂质态峰在正能非常强,负能相对较弱,不随磁场移动的杂质态峰证明该杂质同样为非磁性杂质。实际测量并积分得到的结果如图1(d)所示,可以发现,在负杂质态峰能量处,积分信号出现了一个负的峰,和s±配对非磁性杂质的理论计算定性一致。这一实验在不同的非磁性杂质情况下得到了相同的结论。

图2. 对于两种类型的多杂质相位参考图案积分信号gr(-E)。

实际情况下,杂质的浓度可能比较高,很难找到孤立的单杂质区域,利用大面积相位矫正方法,上述方法可以应用于多杂质的情况,两类杂质的积分信号如图2所示,得到了与单杂质相类似的结果。

在Li1-xFexOHFe1-yZnySe材料中的结果,证明了只有电子型费米面的铁基超导材料中也存在着能隙符号的变化,说明了排斥势导致的配对相互作用(很有可能是交换反铁磁涨落)是铁基超导体配对的主要原因。该工作发表在【Physical Review B 98,134503 (2018)】上,并被选为编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)。

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,在此表示感谢。