中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和物理系中科院強(qiáng)耦合量子材料物理實驗室陳仙輝、吳濤等人組成的超導(dǎo)研究團(tuán)隊近日在鐵基高溫超導(dǎo)體研究中取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊在有機(jī)離子插層的二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體中揭示了由二維超導(dǎo)漲落導(dǎo)致的“贗能隙”現(xiàn)象，為研究鐵基超導(dǎo)材料中的高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了關(guān)鍵性的實驗證據(jù)。相關(guān)研究成果于8月28日以“Preformed Cooper Pairs in Layered FeSe-Based Superconductors”為題在線發(fā)表于物理學(xué)知名雜志《物理評論快報》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 097003 (2020)]。

超導(dǎo)電性包含了兩種奇妙的量子物理現(xiàn)象：電子配對以及電子對的長程相位相干。在傳統(tǒng)的低溫超導(dǎo)體中，電子配對與相位相干在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度同時發(fā)生，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的高低可以由電子配對形成的能隙大小來決定。然而，在高溫銅氧化合物超導(dǎo)體中，特別是對于欠摻雜區(qū)的超導(dǎo)電性，其電子配對溫度顯著高于相位相干溫度，因而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的高低最終是由相位相干來決定的。由于電子的預(yù)配對，在超導(dǎo)溫度以上會形成由超導(dǎo)漲落所導(dǎo)致的“贗能隙”現(xiàn)象。在實驗上，特別是在欠摻雜區(qū)，在遠(yuǎn)高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以上的溫區(qū)（甚至高于室溫）人們很早就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“贗能隙”現(xiàn)象。但是，在高溫銅氧化合物超導(dǎo)體中，關(guān)于“贗能隙”的起源卻有著非常大的爭議，主要原因是銅氧化物超導(dǎo)體中除超導(dǎo)態(tài)以外還存在其它豐富的電子有序態(tài)，這些有序態(tài)也有可能會產(chǎn)生“贗能隙”現(xiàn)象。理解高溫超導(dǎo)體中的“贗能隙”現(xiàn)象被認(rèn)為是解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵之一。2008年，鐵基高溫超導(dǎo)材料家族的發(fā)現(xiàn)，為研究高溫超導(dǎo)機(jī)理帶來了一個新的契機(jī)。那么，在鐵基高溫超導(dǎo)體中是否也有“贗能隙”現(xiàn)象以及其來源又是什么？回答這一問題對于建立一個統(tǒng)一的高溫超導(dǎo)機(jī)理具有重要的意義。

在之前的鐵基超導(dǎo)體研究中，已經(jīng)有過一些與超導(dǎo)漲落相關(guān)的“贗能隙”現(xiàn)象的實驗探索工作，但是這些前期的實驗結(jié)果要么是認(rèn)為沒有“贗能隙”現(xiàn)象，要么是觀察到的“贗能隙”現(xiàn)象與超導(dǎo)漲落沒有關(guān)聯(lián)或者是在一個相同的材料體系中存在相互矛盾的實驗結(jié)果，因而與超導(dǎo)漲落相關(guān)的“贗能隙”現(xiàn)象到目前為止還沒有獲得確定性的實驗證據(jù)。近年來，陳仙輝教授團(tuán)隊始終致力于新型高溫鐵基超導(dǎo)材料的探索，并利用電化學(xué)插層技術(shù)實現(xiàn)了一系列具有高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的二維鐵硒基高溫超導(dǎo)材料（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到40K以上）以及其它二維功能材料 （J. Am. Chem. Soc. 141, 17166 (2019); New J. Phys. 20, 123007 (2018); Phys. Rev. Mat. 2, 074801 (2018);New J. Phys. 20, 023014 (2018)）。通過有機(jī)離子的電化學(xué)插層，這些新型的鐵硒基高溫超導(dǎo)體具有了非常強(qiáng)的二維性質(zhì)，其電導(dǎo)率的面內(nèi)外各向異性可以達(dá)到104數(shù)量級，這與高溫銅氧化合物超導(dǎo)體的二維性質(zhì)非常相似。之前關(guān)于高溫銅氧化合物超導(dǎo)體的研究已經(jīng)表明（Nature 575, 156–163 (2019)），在這種具有強(qiáng)的各向異性的二維層狀高溫超導(dǎo)材料中，其塊體性質(zhì)與單層性質(zhì)幾乎一致，表明其塊體材料已經(jīng)具有了準(zhǔn)二維的物理性質(zhì)，其中就包括二維超導(dǎo)漲落。因此，這類二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體成為了探索與超導(dǎo)漲落相關(guān)的“贗能隙”現(xiàn)象的絕佳材料體系。

圖示：(a) FeSe與有機(jī)離子插層的二維(TBA)xFeSe超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)；(b) (TBA)xFeSe超導(dǎo)體的磁場-溫度相圖。

針對上述科學(xué)問題，陳仙輝、吳濤等人組成的超導(dǎo)研究團(tuán)隊首先通過核磁共振技術(shù)在有機(jī)插層的二維鐵硒基高溫超導(dǎo)體(TBA)xFeSe（TBA為四丁基銨的縮寫）中證實了在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc~ 43K）之上的確存在顯著的“贗能隙”特征，其“贗能隙”起始溫度大約在60K左右。隨后，再通過進(jìn)一步的各向異性的抗磁性和能斯特效應(yīng)兩個實驗方法證明在上述“贗能隙”溫區(qū)存在明顯的二維超導(dǎo)漲落特征。綜合上述各種實驗結(jié)果，最終斷定在該鐵硒基高溫超導(dǎo)體中存在由二維超導(dǎo)漲落導(dǎo)致的“贗能隙”現(xiàn)象。上述重要實驗發(fā)現(xiàn)不但揭示了二維層狀鐵硒基高溫超導(dǎo)體中的 “贗能隙”現(xiàn)象，同時也為理解單層鐵硒薄膜樣品中的高溫超導(dǎo)電性提供了新的理解和解釋。

圖示： FeSe超導(dǎo)體中自旋-軌道耦合的電子向列相的物理示意圖。

此外，陳仙輝、吳濤等人組成的超導(dǎo)研究團(tuán)隊最近還在鐵硒超導(dǎo)體的電子向列相機(jī)理的實驗研究中取得了重要的進(jìn)展。通過位置選擇性的核磁共振測量，實現(xiàn)了對電子向列相中軌道和自旋自由度相關(guān)序參量的選擇性表征，并將結(jié)果與自旋或軌道導(dǎo)致的向列相理論模型進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)鐵硒超導(dǎo)體中的電子向列相并不能簡單地理解為由單一的自旋或軌道自由度驅(qū)動的向列相，而是一種自旋-軌道糾纏的向列相，其中自旋-軌道耦合也起到了重要作用。這一結(jié)果將為理解鐵基超導(dǎo)體中電子向列相的物理起源提供重要的實驗線索。相關(guān)工作已于近期以“Spin-Orbital-Intertwined Nematic State in FeSe”為題發(fā)表在《Physical Review X》上[Phy. Rev. X 10, 011034 (2020)]。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士研究生康寶蕾、石孟竹為相關(guān)Phys. Rev. Lett.論文的共同第一作者，李建為相關(guān)Physical Review X文章的第一作者，陳仙輝教授和吳濤教授為上述文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院以及安徽省引導(dǎo)項目的相關(guān)基金資助。

論文鏈接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.097003

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.10.011034