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在第II类超导体中，当外加磁场强于下临界场时，磁场会以量子化的磁通形式穿透进入超导体内部，每个磁通的磁通量为一个磁通量子。这些磁通中心有接近正常态的磁通芯子，而外面是超导态，因而磁通芯子里束缚住的电子会形成一系列磁通束缚态。磁通束缚态的特征能量和超导能隙Δ以及费米能EF相关，即E = μΔ2/EF，其中量子数μ取半整数。在传统超导体中，由于EF >> Δ，因此很难观测到分立的磁通束缚态。闻海虎、杨欢教授团队首先在浅带铁基超导体Fe(Te,Se) 中观测到了清晰的分立磁通束缚态【Nature Communications 9, 970 (2018)】。进一步他们在新发现的铁基超导体KCa2Fe4As4F2中，发现磁通束缚态能级偏离之前普遍认为的1:3:5的比例，上述结果是因为Δ/EF比例更大，系统满足极端量子极限条件【Phys. Rev. Lett. 126, 257002 (2021)】。上述工作对深入理解Ⅱ类超导体中的磁通束缚态和铁基高温超导机理问题都具有重要的推动作用。

最近，物理学院闻海虎教授、杨欢教授团队在新型铁基超导体KCa2(Fe0.95Ni0.05)4As4F2上发现了一些超导电性被压制的沟道。这些沟道能够钉扎住一些磁通，钉扎住的磁通在垂直于沟道方向拉长，形成一维竹节状的磁通链。特别有趣的是，沟道两边作为边界形成的准粒子态密度空间振荡在零磁场下正负能量是同相位的；但是，在有限磁场下形成的磁通芯子内，正负能测量的准粒子态密度空间振荡却是反相位的。上述反相位的现象是由磁通束缚态和沟道这一二维受限体系相互作用的结果。这一工作为研究磁通束缚态和纳米级的受限体系相互作用提供了重要实验素材，同时对进一步研究磁通中可能的马约拉纳零能模也有重要的参考意义。该工作于2022年11月28日在线发表在【Nano Letters 22, 9450 (2022)】。

在Ni掺杂的铁基超导体KCa2(Fe0.95Ni0.05)4As4F2上，精密的扫描隧道显微镜测量发现一些带状沟道（图1a），其宽度约为15nm，深度约为50pm，表面的原子没有明显的晶格畸变。这些沟道可能源于Ni掺杂导致的应力释放。当沟道方向和表面的晶格方向接近时，可以发现其超导电性受到明显抑制（图1b），在隧道谱上表现为超导能隙从沟道外部区域的5.5 meV 减小到3meV左右，同时沟道内零能态密度被抬高。因为沟道内的超导电性被抑制，所以它们可以作为钉扎磁通的一维缺陷。在外加磁场下，磁通被优先钉扎在沟道区域，形成了一维的竹节状的磁通链（图1c黄色线连接的磁通）。竹节状磁通链中相邻磁通的距离明显小于外部的正常磁通（图1c红色点）间距。

图1. 铁基超导体KCa2(Fe0.95Ni0.05)4As4F2表面发现的抑制超导电性的沟道以及对磁通的钉扎。(a) 包含两条典型沟道的形貌图。 (b) 沿图a中橙色箭头测量的空间分辨的隧道谱。(c) 3T下的磁通图像，每个圆点对应一个磁通芯子中心，部分磁通被钉扎在沟道区域形成竹节状的一维磁通链。


通过局域微分电导测量，在沟道区域清晰地观测到了空间上的准粒子态密度Friedel 振荡（图2a），这些振荡平行于沟道边界，形成类似于运河的形状。在外加磁场下，通过局域微分电导测量，可以发现被钉扎的磁通呈现拉长的椭圆形（图2b）：在沿着沟道方向长度约为6nm，和远离沟道的磁通尺寸相当；在垂直于沟道方向，长度约为15nm，远大于正常磁通的尺寸。磁通芯子在垂直于沟道方向拉长的原因可能是沟道调节了局域的电子态结构，增加了该方向上的费米速度，再加上能隙的减小，共同作用使得垂直于沟道方向的超导相干长度发生变化。同时，可以发现磁通芯子中也存在明显的态密度的Friedel振荡，这些振荡也是平行于沟道边界的。其中另一个重要的发现是，磁通芯子中的态密度振荡在正负能量下有明显的相位改变。跨越磁通测量的隧道谱在束缚态能量（图2d红虚线）处可以很明显地发现这一点，这一反相位还可以清晰体现在正负能处取出的空间的微分电导高度变化（图2f）以及正负束缚能空间态密度相减图（图2h）中正负交错的变化中。而在零磁场下不存在磁通时，正负能的振荡相位基本相同（图2d,e,g）。磁通芯子内态密度振荡相位的正负能不对称是磁通束缚态的典型特征，实验测量的结果是磁通束缚态和纳米尺寸沟道对准粒子的束缚态共同作用的结果。这一观测结果揭示了一种新的磁通态，为更清晰地理解磁通束缚态与纳米受限体系的相互作用提供了重要的实验素材。

图2. 沟道区域钉扎的磁通与复杂的磁通束缚态。 (a,b) 零场和4T下零能测量的微分电导图。(c,d) 零场和4T下分别沿图a和b箭头测量的一系列空间分辨的隧道谱，黄色虚线标出了沟道范围。(e,f) 从c和d中取出的正负能空间微分电导的变化图。(g,h) 正负能量测量的微分电导图相减得到的差值图。

 

该工作是闻海虎、杨欢教授团队与中科院物理研究所罗会仟研究员、李世亮研究员团队合作完成的，中科院物理研究所团队提供了高质量的单晶样品。文章并列共同第一作者是段文和陈凯伦博士生；通讯作者是杨欢教授，罗会仟研究员和闻海虎教授。

此工作得到国家重点研发计划、中科院战略性B类先导和自然科学基金等项目的支持，在此表示感谢。