超導(dǎo)現(xiàn)象是固體中的電子發(fā)生配對(duì)和量子凝聚的現(xiàn)象。由于超導(dǎo)態(tài)載流子是庫珀電子對(duì)，具有類玻色特性，因此在一定溫度以下，會(huì)凝聚到一個(gè)更低能量的宏觀量子相干態(tài)，表現(xiàn)出電阻為零和完全抗磁性等性質(zhì)。對(duì)超導(dǎo)體奇異性質(zhì)的研究，不僅會(huì)大大推動(dòng)凝聚態(tài)物理的前沿發(fā)展，同時(shí)會(huì)為人類帶來許多重要的，甚至是不可替代的應(yīng)用。高溫超導(dǎo)機(jī)理研究的核心內(nèi)容是關(guān)于電子對(duì)形成的原因。南京大學(xué)聞海虎教授小組長期致力于高溫超導(dǎo)機(jī)理問題的研究，最近在鐵基超導(dǎo)機(jī)制的研究方面取得了重要新進(jìn)展。該工作于2016年1月29日發(fā)表在Nature Communications7,10565(2016)。

超導(dǎo)態(tài)一旦形成，如果想從此低能超導(dǎo)凝聚體中激發(fā)一個(gè)單電子就需要一定能量。這個(gè)能量被通稱為超導(dǎo)能隙，它對(duì)超導(dǎo)態(tài)起到保護(hù)屏障的作用。這也是為什么超導(dǎo)態(tài)能夠在有限溫度下存在的原因。利用掃描隧道譜技術(shù)，能夠直接測量這個(gè)能隙，包括超導(dǎo)能隙的大小和結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步獲得電子配對(duì)的機(jī)理。最近幾年，國際上發(fā)現(xiàn)了一些基于FeSe（鐵硒層）的新型超導(dǎo)體。電子結(jié)構(gòu)測量發(fā)現(xiàn)這些超導(dǎo)體中只出現(xiàn)了一套電子費(fèi)米面，然而隧道譜上看總是觀測到兩個(gè)超導(dǎo)能隙。為什么在一套費(fèi)米面上出現(xiàn)了兩個(gè)超導(dǎo)能隙，這是近幾年困擾學(xué)術(shù)界的一個(gè)懸而未決的問題。此外，如果只有電子型費(fèi)米面，沒有了空穴費(fèi)米面，理論預(yù)言的S+-模型是否還正確？

聞?；⒔淌谛〗M利用在南京大學(xué)建立的綜合實(shí)驗(yàn)條件，生長出高質(zhì)量的(Li_1-xFe_x)OHFeSe高溫超導(dǎo)單晶，并對(duì)該超導(dǎo)體的掃描隧道譜進(jìn)行了深入的研究。該超導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)如圖1b示意圖所示。在遠(yuǎn)離雜質(zhì)點(diǎn)測量到的隧道譜如圖1c所示，表現(xiàn)出清晰的雙能隙結(jié)構(gòu)。對(duì)在一個(gè)樣品的同一解理面內(nèi)測量到的98條曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)能隙分成為兩組（如圖1d所示），其中心位置大約在14.3和8.6毫電子伏特。如果用大能隙值（14.3 meV）代入計(jì)算發(fā)現(xiàn)2D/Tc ?

南京大學(xué)函授報(bào)名、南京大學(xué)成人高考報(bào)名

8.7, 這個(gè)比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于電聲子耦合導(dǎo)致電子配對(duì)的巴?。瓗扃辏┤鸶ダ碚撝担?D/Tc ? 3.53）（1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。因此這個(gè)新結(jié)果揭示鐵基超導(dǎo)不是通過簡單電聲子耦合實(shí)現(xiàn)的。

圖1. (a), (Li_1-xFe_x)OHFeSe超導(dǎo)體解理后露出的硒原子面（周期性亮點(diǎn)）和雜質(zhì)點(diǎn)（啞鈴狀亮點(diǎn)）。(b), (Li_1-xFe_x)OHFeSe原子結(jié)構(gòu)示意圖。 (c), 遠(yuǎn)離雜質(zhì)點(diǎn)測量到的典型隧道譜形狀，可以清晰看見兩個(gè)能隙結(jié)構(gòu)。(d), 在一個(gè)解理面上測量的98條譜上能隙的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

為了仔細(xì)分辨隧道譜上面所發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)超導(dǎo)能隙的起源，聞教授他們利用了一種稱為準(zhǔn)粒子散射相干技術(shù)（quasiparticle interference，簡稱QPI）。超導(dǎo)態(tài)庫珀對(duì)被雜質(zhì)破壞以后，形成單電子態(tài)，這些單電子表現(xiàn)出行波形式，而這些電子波又被雜質(zhì)所散射形成一定的駐波態(tài)，在超導(dǎo)體表面穩(wěn)定存在并被空間分辨的掃描隧道譜直接測量出來。有個(gè)形象的比喻是池塘中的水波如果被露出水面的石頭所散射，也會(huì)形成一定的駐波態(tài)，根據(jù)這個(gè)駐波態(tài)的形式，可以分析池塘中露出水面的石頭個(gè)數(shù)和分布情況。同樣的道理，測量到電子因?yàn)樯⑸湎喔尚纬傻鸟v波態(tài)以后，就可以通過傅立葉變化到倒易空間，得以獲得電子結(jié)構(gòu)信息，如費(fèi)米面，超導(dǎo)能隙特征等，這就是QPI技術(shù)。圖2a顯示的就是在解理面上，在大能隙的能量附近，測量到的QPI圖譜。圖2b和2c就是在不同能量測量到的電子駐波態(tài)，經(jīng)過傅立葉變換后的圖案，可以清晰看見不同費(fèi)米面的信息。圖2d是理論上預(yù)測的經(jīng)過能帶疊加（或雜化后）電子費(fèi)米面圖。根據(jù)這樣一個(gè)費(fèi)米面的信息得到的QPI模擬結(jié)果放在圖2e中，可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相似。

圖2.(a),在能量為14.5mV測量到的微分電導(dǎo)（dI/dV, 對(duì)應(yīng)電子態(tài)密度）在空間的分布。可以看見一些電子波干涉的圖案。(b),圖(a)中的電子干涉圖譜經(jīng)過傅立葉變換以后的圖案。(c),同樣方法在小能隙能量附近8.6mV測量到的QPI圖案。(d),理論預(yù)測的大概費(fèi)米面圖形。(e),根據(jù)(d)中的費(fèi)米面信息所做的模擬QPI圖案，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（b,c）相似。(f),(g)，小動(dòng)量散射的QPI圖案，反映的是費(fèi)米面內(nèi)部散射的信息。

為了更清楚地研究雙能隙對(duì)應(yīng)費(fèi)米面和超導(dǎo)能隙的情況，他們又特別精細(xì)地測量了大面積實(shí)空間的電子相干圖譜，這樣反演到倒易空間，清晰度可以大大提高。一般這樣一個(gè)圖譜要穩(wěn)定測量1－2天，而且要保證針尖不能偏離原子位置，難度極大。如圖3所示，通過改變能量，他們發(fā)現(xiàn)在低能部分，沒有費(fèi)米面出現(xiàn)，證明超導(dǎo)能隙是完整的（fully gapped）。然而逐漸增加能量的時(shí)候，在接近或達(dá)到小能隙能量的時(shí)候，第一套費(fèi)米面（波矢較?。└‖F(xiàn)出來。再繼續(xù)增加能量，他們發(fā)現(xiàn)另外一套費(fèi)米面逐漸顯露，在達(dá)到大能隙的時(shí)候，第二套費(fèi)米面已經(jīng)變得很清晰，形成了明顯的里外層費(fèi)米面套疊的情況。根據(jù)外套費(fèi)米面在更高能量出現(xiàn)的事實(shí)，合理的推論是大能隙對(duì)應(yīng)外套費(fèi)米面，而小能隙對(duì)應(yīng)內(nèi)套費(fèi)米面。這是在只包含電子費(fèi)米面的眾多鐵硒基材料中，第一次甄別出內(nèi)外兩套費(fèi)米面，并且與雙能隙結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。

圖3. (a)-(j) 根據(jù)相應(yīng)能量測量到的態(tài)密度空間圖譜， 通過傅立葉變換以后獲得的倒易空間電子結(jié)構(gòu)的信息。在小能量的時(shí)候，內(nèi)套費(fèi)米面先顯露出來；在大能量的時(shí)候，外套費(fèi)米面開始顯露。因此可以推論，存在由于費(fèi)米面套疊或雜化形成的內(nèi)外套費(fèi)米面，而大（?。┠芟秾?duì)應(yīng)外（內(nèi)）套費(fèi)米面。

本項(xiàng)研究第一次清楚地說明了在只有電子型費(fèi)米面存在的鐵硒基的高溫超導(dǎo)體中，為什么有雙能隙的特征。其意義體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在一種典型鐵硒基高溫超導(dǎo)體中，觀察到雙能隙特征，與引起廣泛關(guān)注的鐵硒單層膜上的數(shù)據(jù)極其相似，也許內(nèi)在物理是一致的；（2）在早期大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都認(rèn)為只有一套電子型費(fèi)米面時(shí)，該工作第一次甄別出來內(nèi)外兩套靠得很近的費(fèi)米面，并獲得了相應(yīng)的超導(dǎo)能隙的特征；（3）超強(qiáng)的能隙和轉(zhuǎn)變溫度的比值把鐵基超導(dǎo)體完全歸類于非電聲子耦合導(dǎo)致的電子配對(duì)。這個(gè)重要進(jìn)展將大大推動(dòng)鐵基超導(dǎo)機(jī)理問題的解決。

此項(xiàng)研究是聞?；⒔淌谛〗M在南京大學(xué)取得的系列成果的最新進(jìn)展。此前他們發(fā)現(xiàn)了無磁性雜質(zhì)誘導(dǎo)的電子相干態(tài)，這是理論上預(yù)言的支持S+-模型的指紋性證據(jù)，因此國際同行認(rèn)為“這是迄今為止他所看見的支持S+-模型的最堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”。該工作于2013年11月發(fā)表在Nature Communications 4, 2749(2013)。同時(shí)，他們?cè)趦蓚€(gè)完全不同鐵基超導(dǎo)體系中，還發(fā)現(xiàn)了與超導(dǎo)密切相關(guān)的新的能量尺度 W（即玻色模），說明鐵基超導(dǎo)電子配對(duì)與磁相互作用密切相關(guān)，該工作于2013年1月發(fā)表在Nature Physics 9, 42(2013)。目前，該小組還在深入研究，力爭在鐵基超導(dǎo)機(jī)理問題解決的過程中做出最終決定性的成果。

該最新成果是聞?；⒔淌谛〗M獨(dú)立完成的。掃描隧道顯微鏡、隧道譜測試和分析部分是由杜增義，楊雄，方德龍，杜冠同學(xué)，楊歡教授和聞?；⒔淌谕瓿?；樣品制備和表征是由林海，邢捷同學(xué)和祝熙宇副教授完成；杜增義，楊雄和林海為同等貢獻(xiàn)第一作者；楊歡和聞海虎為共同通訊作者；聞海虎協(xié)調(diào)了整個(gè)工作進(jìn)展。

此工作得到教育部985計(jì)劃，科技部973計(jì)劃和自然科學(xué)基金委的支持。

（物理學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處）