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物理学院闻海虎教授小组在铁基超导机理研究方

文章作者:产品测评 上传时间:2019-12-01

67777.com,图2. 准粒子相干散射图谱经过傅里叶变换以后的强度的实部正负能之差dr-在散射空间的分布情况,他们关心的物理量是两个圆圈内部的积分总和; 实验测量到的dr-随能量的变化,插图给出了能隙符号反转和符号不反转的 的计算结果。 屏蔽掉相干共振峰以后的结果与理论的对比。中均可见实验结果与S+- 理论预期很好符合。 根据目前的结果总结的超导能隙情况,能隙符号出现反转,用红色和蓝色各表示不同符号。

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(人工微结构科学与技术协同创新中心 科学技术处)

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本项研究第一次清楚地说明了在只有电子型费米面存在的铁硒基的高温超导体中,为什么有双能隙的特征。其意义体现在以下几个方面:在一种典型铁硒基高温超导体中,观察到双能隙特征,与引起广泛关注的铁硒单层膜上的数据极其相似,也许内在物理是一致的;在早期大量的实验数据都认为只有一套电子型费米面时,该工作第一次甄别出来内外两套靠得很近的费米面,并获得了相应的超导能隙的特征;超强的能隙和转变温度的比值把铁基超导体完全归类于非电声子耦合导致的电子配对。这个重要进展将大大推动铁基超导机理问题的解决。

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闻海虎教授小组利用在南京大学建立的综合实验条件,生长出高质量的OHFeSe高温超导单晶,并对该超导体的扫描隧道谱进行了深入的研究。该超导体原子结构如图1b示意图所示。在远离杂质点测量到的隧道谱如图1c所示,表现出清晰的双能隙结构。对在一个样品的同一解理面内测量到的98条曲线进行统计,发现超导能隙分成为两组,其中心位置大约在14.3和8.6毫电子伏特。如果用大能隙值代入计算发现2D/Tc » 8.7, 这个比值远远大于基于电声子耦合导致电子配对的巴丁-库珀-施瑞弗理论值(2D/Tc » 3.53)(1972年诺贝尔物理学奖)。因此这个新结果揭示铁基超导不是通过简单电声子耦合实现的。

研究团队工作的第一步是生长出无磁性杂质Zn掺杂的OHFe1-yZnySe单晶样品,并用扫描隧道谱证明这个杂质是无磁性杂质。然后,利用准粒子散射技术获得该材料的费米面和能隙大小,这一步在该小组2016年的文章中已经说明 [Z. Y. Du et al., Nat. Commun. 7, 10565]。之后,关键的一步是测量连结点之间准粒子相干散射的傅里叶变换强度的实部正负能之差。因为牵涉这个物理量的实部,必然包含相位敏感的信息。理论预言该物理量对于 S+-, 应该是共振增强,相反,如果没有能隙符号反转,则信号很弱。研究的结果显示在图2中。实验结果清晰显示此类超导体尽管只有电子费米面,没有空穴型费米面,但是其能隙符号也会出现反转,即S+-。因此他们预测超导能隙大概结构如图2中的一种所示,更倾向于左边的形状。

图1. , OHFeSe超导体解理后露出的硒原子面和杂质点。, OHFeSe原子结构示意图。 , 远离杂质点测量到的典型隧道谱形状,可以清晰看见两个能隙结构。, 在一个解理面上测量的98条谱上能隙的统计结果。

人们发现铁基超导体的电子费米面形状在不同的系统中有很大区别。早期发现的很多铁基超导体,既有电子型费米面,又有空穴型费米面,因此促使理论上提出了能隙符号反转的模型 ,与磁交换作用导致电子配对的物理图像吻合。然而,最近几年发现的很多新的铁基超导体,不存在空穴型费米面,使得人们动摇了对S+-模型的认可,对铁基超导体能隙的认识一时陷入莫衷一是的状态。闻海虎教授团队首次利用电子驻波的相位敏感实验,发现了没有空穴费米面的铁基超导体仍然具有能隙符号反转行为,因此统一了铁基超导体能隙结构的认识,即超导电子配对均可能来自于反铁磁的自旋涨落效应,对铁基超导机理问题的解决将起到重要推动作用。该工作于2017年10月23日在线发表于Nature Physics [Nature Physics 23 Oct 2017. DOI.10.1038/NPHYS4299.]。

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此工作得到教育部985计划,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构和量子调控项目”的支持,在此表示感谢。

超导现象是固体中的电子发生配对和量子凝聚的现象。由于超导态载流子是库珀电子对,具有类玻色特性,因此在一定温度以下,会凝聚到一个更低能量的宏观量子相干态,表现出电阻为零和完全抗磁性等性质。对超导体奇异性质的研究,不仅会大大推动凝聚态物理的前沿发展,同时会为人类带来许多重要的,甚至是不可替代的应用。高温超导机理研究的核心内容是关于电子对形成的原因。闻海虎教授小组长期致力于高温超导机理问题的研究,最近在铁基超导机制的研究方面取得了重要新进展。该工作于2016年1月29日发表在Nature Communications7,10565。

该项研究是基于一种新型的电子驻波相位敏感的探测实验。如果超导态具有能隙符号反转的S+-能隙结构,理论预言超导态的库玻对被无磁性杂质散射后会被拆散成为单电子,在能隙内出现杂质态共振峰,在没有符号反转的的S++配对模型下就不会出现。进一步,由于这些准粒子形成的干涉驻波在空间的相位对能隙的结构非常敏感,连接所关心的费米面的两点之间准粒子相干散射的傅里叶变换强度的正负能之差,理论上简称为dr-,对于符号反转的能隙,应该是共振叠加的;反之,对于没有符号反转的能隙,信号应该非常微弱。为了完成这个实验,闻海虎教授团队进行了两年多的艰辛准备和实验,终于取得突破,获得了能隙符号反转的确切证据。

该最新成果是闻海虎教授小组独立完成的。扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由杜增义,杨雄,方德龙,杜冠同学,杨欢教授和闻海虎教授完成;样品制备和表征是由林海,邢捷同学和祝熙宇副教授完成;杜增义,杨雄和林海为同等贡献第一作者;杨欢和闻海虎为共同通讯作者;闻海虎协调了整个工作进展。

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