物理所在鐵基超導體中發現明顯的能隙各向異性

　　最近，中科院物理研究所聞海虎研究員等從體測量的角度明確證明了鐵基超導體FeSe0.45Te0.55中能隙有各向異性，并且精確測定了能隙振蕩的方式和角度。該工作發表于【B. Zeng et al., Nature Communications 1:115 (2010)】。

　　自從2008年初在鐵基超導體體系中發現26K的超導電性以后，人們從材料和物理兩個角度均取得了重要進展。超導機理問題迅即成為本領域的核心問題。 一開始人們就發現，未摻雜的母體材料是一個反鐵磁相，當這個反鐵磁相被抑制后，超導才會出現并逐漸增強（如圖1所示）。這一點與銅氧化物超導體極為類似。另外，在很多鐵基超導體系統中，如1111相和122相，與反鐵磁相對應的波矢和鐵砷基材料中特有的連接空穴和費米面的波矢剛好比較匹配，因此一種自然的超導配對圖像是兩個電子通過交換反鐵磁漲落，從電子（空穴）費米面散射到空穴（電子）費米面，從而導致電子配對。費米面的情況見圖2d，中間為空穴費米面，周圍四個為電子費米面。這種圖像下，最簡單的能隙形式是各個費米面上面形成各向同性的S波，然而空穴和電子費米面上面的能隙符號相反。物理所方磊同學和聞海虎等研究人員利用精細的Hall效應測量發現，多帶（或多能隙）是鐵基超導體的主要特征，一旦多帶效應消失，超導就同時消失，見文章【L. Fang et al., Phys. Rev. B 80, 140508 （R） (2009)】。同時，他們還與加拿大的McMaster 大學的Imai教授小組合作，開展了不同摻雜樣品的核磁共振實驗，發現當反鐵磁自旋漲落消失的時候，超導也消失，見文章【F. L. Ning et al., Phys. Rev. Lett. 104, 037001 (2010)】。這兩個實驗表明，多帶效應和反鐵磁漲落與超導的形成密切相關，因此間接支持了以上的圖像。

　　然而，真實的系統總是表現出更多的復雜性。鐵基超導體中，有多項磁交換作用（近鄰，次近鄰和Z方向），費米面間的電子散射也不只是電子和空穴之間，兩個電子費米面之間，空穴和電子費米面內部也會有電子散射。隨著系統參量的改變，如增強帶內散射，一些理論工作預期能隙在費米面上面應該表現出強的各向異性，甚至有能隙為零的地方（稱為節點）出現。之前的角分辨光電子譜實驗總是發現在大部分的費米面上均為各向同性的S波，然而很多塊材測量的實驗（如核磁共振，熱導，比熱等）卻發現，低能情況下有大量的未配對的單電子態出現，因此說明能隙在費米面的某些地方，應該有極小或零值（節點）的出現。但是，要用體測量的方式證明能隙出現的振蕩和極小值的位置一直很困難。

　　測量能隙的各向異性有很多方法，最主要的有角分辨光電子譜和掃描隧道顯微鏡方法。然而，這兩種方法均強烈依賴于樣品的表面質量，同時任何形式的表面態再構均對測量結果及其解釋造成不確定。一種既反應樣品塊材性質，又能測量能隙變化的手段是角度依賴的熱力學量（如比熱）的測量，即改變磁場和晶體軸之間的角度，測量熱力學量。其原理是依賴于磁場對庫柏對的拆散過程，拆散庫柏對的多少（即費米面的電子態密度）隨磁場和樣品的晶軸之間的角度變化關系與能隙結構密切相關。聞海虎等研究人員一直潛心于精密比熱的測量，最近開發出角度分辨的比熱測量裝置。利用這種手段，曾斌和牟剛同學以及聞海虎研究員等測量了鐵基超導體FeSe0.45Te0.55（Tc＝14.5 K，羅會仟博士和戴鵬程研究員提供）的角度依賴的比熱，發現比熱有四度振蕩行為，說明能隙有明顯的各向異性，而且第一次確認能隙的最小方向出現在電子－空穴費米面連線（即Fe－Fe連線）方向，引起了鐵基超導體配對機制研究者很大的興趣。該工作的計算和理論部分與向濤研究員和美國海軍實驗室的Igor Mazin博士合作完成。

　　他們的核心結果顯示在圖2中，可以看出在低溫（2.6 - 2.7 K）溫度下，比熱在Fe-Fe鍵方向出現極小(圖2b)，而且四度振蕩非常清晰。但是當溫度上升到3.7 K左右時，極大和極小位置互相調換(圖2a)，即極小出現在Fe-Se-Fe方向。這種極大和極小位置的交換是由于磁場平行于FeSe面時，兩種磁通格子能量極為接近，理論上對于各向異性超導體有預言，而且在重費米子超導體和YNi2B2C中已經被證實。

　　理論學家Chubukov和Eremin【Phys. Rev. B 82, 060504(R) (2010)】結合這個實驗迅速作出解釋，由于考慮電子系統與不同磁交換之間的相互作用，造成帶間和帶內的散射，電子費米面上面的能隙可以被寫成一個S波分量疊加一個各向異性的d-波分量，即Δe=Δ0(1-rsin2φ)，這里φ是從電子－電子口袋連線算起的夾角，r是控制帶內散射量大小的參量，從而控制能隙各向異性的參量。當r＝0時，典型的S-波；r<1時，能隙有各向異性；r>1時，能隙會出現節點，象d-波能隙。如果把這個能隙函數放到超導態單電子的態密度計算比熱時，發現比熱應該在φ＝45°度的地方（此時，H||Fe-Fe）出現極小，這與實驗結果一致。根據該公式計算的能隙顯示在圖3(a)中,可見伴隨系統參量r的變化，能隙各向異性逐漸增強，最后甚至出現節點。

　　聞海虎等研究人員的工作從體測量的角度明確證明了鐵基超導體FeSe0.45Te0.55中能隙有各向異性，并且精確測定了能隙振蕩的方式和角度。伴隨體系參量的演變，電子與反鐵磁自旋漲落之間相互作用導致的帶內和帶間散射也會變化，因此超導能隙可以從一個各向同性的S-波向有節點的能隙狀態轉變。