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铁基高温超导体配对对称性是当前超导领域中的一个重大科学问题。铁基超导体发现至今,被广泛接受的配对对称性为s±配对,即空穴口袋和电子口袋上的超导能隙符号相反。Fe(Te,Se)作为铁基超导体的一员,具有大小近乎相等的电子和空穴型费米面,因此适合研究配对对称性这一问题。Hirschfeld、Altenfeld、Eremin和Mazin提出的在两个能隙的能量范围之内,可以对相位敏感的准粒子相干散射实验数据分析得到两个超导能隙相位是否相反的信息[PRB 92, 184513 (2015)],闻海虎小组前期上述理论对没有空穴型费米面的LiFeOHFeSe材料进行研究,得到了超导能隙符号相反的证据【Nature Physics 14, 134-139 (2018)】。后来,Chi等人提出新的相位参考的准粒子相干散射技术[arXiv:1710.09088,arXiv:1710.09089],这一理论作用能量范围是非磁性杂质导致的杂质束缚态的峰,闻海虎小组也利用该技术进一步验证了在LiFeOHFeSe材料中超导能隙符号存在反号【Physical Review B 98,134503 (2018)】。但是,上述两个理论的基础在于需要知道杂质所在的具体位置,最好对于单个杂质周围的准粒子相干散射数据进行分析,对于多杂质的情况下,相位校正的处理过程非常繁琐,不便向其他系统推广。闻海虎小组和王强华小组合作,基于Chi等人的理论方法,进一步推断发现,对于多杂质的情况,相位校正不是必须的,并且没有明显的杂质态的时候,也能应用相位参考的准粒子相干散射技术,并成功判定了FeTe0.55Se0.45超导体的超导能隙存在反号,该工作发表于【Physical Review B 99, 014507 (2019)】。

对于氧气退火处理后的FeTe0.55Se0.45,解理后的表面没有间隙铁,测量得到的谱空间不均匀,视为在实空间广泛分布的弱非磁性杂质引起,如图1(b)。通过分析,对于多杂质且杂质态不强的情况下,用Chi等人的方法做的杂质态相位敏感的准粒子相干散射分析,并不需要知道具体的杂质所在位置,其结果和单杂质情况类似。

 

图1. FeTeSe解理面形貌图和测量的隧道谱。

具体的实验结果如图2所示。FeTe0.55Se0.45的费米面如图2(a)所示,q2对应的是空穴-电子口袋之间的散射,而q1q3对应的是电子口袋之间的散射。测量的实空间QPI图像如图2(b)所示,通过傅立叶变换能够得到明显的带间散射的斑纹。而相位参考的准粒子相干散射数据如图2(d)所示,电子-空穴口袋的q2散射大多为负值,而电子-电子口袋的q3散射和q1散射均为正值,因此判定了电子空穴口袋之间的能隙符号相反。实验结构和理论基于s±配对超导体中多杂质的相位敏感的准粒子相干散射数据图2(e)定性一致。上述不同费米面之间的相位敏感准粒子相干散射的区别在不同能量下也有所体现,如图2(f)所示。通过这一工作可以直观的看出,空穴口袋和电子口袋的能隙符号相反,即FeTe0.55Se0.45s±配对。

 

图2. (a) FeTe0.55Se0.45费米面及散射示意。(b) 扫描隧道显微镜实验得到的实空间准粒子相干散射(QPI)的数据图;(c) 通过对b傅立叶变换(FT)得到的q空间的FT-QPI数据;(d) 对正负能量数据处理后得到的相位参考的准粒子相干散射结果,可以发现,q2散射的结果为负,而q3散射的结果为正;(e) 理论计算得到的多杂质情况下相位参考的准粒子相干散射结果,和实验测量的数据定性一致。(f) 实验得到的随能量变化的q2q3散射斑纹强度随能量的变化关系。

在很多情况下,无法找到具有明显杂质态的单一杂质,因此,将此方法在弱非磁性杂质的多杂质情况下的推广使得其具有更广泛的适用性。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。