铁基超导体的扫描隧道显微镜研究

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作为继铜氧化物超导体之后的第二类高温超导体,2008年发现的铁基超导体迅速引发了新一轮超导研究热潮。与铜氧化物类似的是,铁基超导体同样具有层状结构。理论计算表明,该结构中很难形成较强的电声子耦合,不能很好地解释铁基超导体中较高的超导转变温度。并且,铁基超导体的超导转变温度往往在反铁磁序消失的边缘达到最大,暗示了铁基超导体中通过自旋涨落实现电荷玻色化配对的可能。同时,中子散射实验在几乎所有的铁基超导材料中都发现了自旋共振峰的存在。基于自旋涨落配对的相互作用势为排斥势,会造成反铁磁波矢连接的空穴型和电子型费米面上超导序参量相位相反,即为s±配对对称性。然而铁基超导体是一个多带体系,随着载流子掺杂浓度的变化,费米面构型会发生严重改变,不同费米面构型下s±配对对称性是否仍然适用目前尚未达成共识。如何统一理解铁基超导体中不同费米面结构下配对对称性,对全面理解和解决高温超导机理问题有重要的参考价值。本文研究便是围绕上述问题展开。利用扫描隧道显微镜,我们希望找到铁基超导体中超导序参量的结构信息。本文的主要内容包括:(1)判定重度电子掺杂的(Li1-xFex)OHFeSe超导体的双能隙特征及强耦合超导电性。作为一种基于FeSe层的新型铁基超导体,角分辨光电子能谱测量表明其只存在一套电子型费米面。然而我们的隧道谱测量发现了两个超导能隙,分别为14.3 meV和8.6 meV,利用大能隙值(14.3 meV)带入计算发现2△/kBTC≈8.7,该比值远大于弱耦合极限下BCS电声子耦合常数3.53,证明了该超导体的强耦合配对特征。并且,为了分辨隧道谱上所发现的两个超导能隙的起源,我们利用准粒子相干散射进行了进一步测量,甄别出了内外两套费米面,并与双能隙结构联系起来。其中内套费米面主要由dxx/dyz轨道构成,对应着小超导能隙,而外套费米面主要由dxy轨道构成,对应着大超导能隙,解决了这类FeSe基超导体中的双能隙问题。(2)空穴型费米面缺失的(Li1-xFex)OHFe1-yZnySe超导体的超导能隙相位相反的实验证据。在前面的工作中我们已经证明了(Li1-xFex)OHFeSe存在着内外两套电子型费米面,但由于空穴型费米面的缺失,s±配对对称性是否仍然适用是理解铁基超导机理问题的重要依据。我们通过隧道谱测量到了可能为掺杂Zn原子诱导的能隙内束缚态。通过加磁场发现该束缚态能量并未改变,推论该杂质为无磁或者弱磁性。因此,该杂质诱导的能隙内束缚态暗示该材料中超导序参量存在着相位相反。进一步地借助超导相位敏感的准粒子相干散射分析发现,在该类只有电子型费米面的铁基超导体中,其超导能隙仍然存在着相位反转,统一了有和没有空穴型费米面的铁基超导体的配对对称性问题。(3)FeS超导体中的强耦合超导电性与配对对称性研究。在铁基超导体中FeSe具有最简单的晶体结构,却拥有着极其丰富的物理性质。2015年发现的FeS超导体具有和FeSe超导体相同的晶体结构和相似的能带结构,研究FeS对理解FeSe基超导体的配对机制显得十分必要。我们通过对FeS的隧道谱拟合发现,单带的各向异性s波以及双带的s + d波都能很好地解释数据,表明FeS的超导能隙存在着高度的各向异性,甚至可能存在着能隙节点。并且,将拟合的最大能隙代入可得2△max/kBTC ≈ 4.65,该值大于弱耦合极限下BCS理论的预言值3.53,表明了该体系中的强耦合超导机制。我们还在FeS样品表面观测到了分别位于Fe位和S位的两类杂质。其中,Fe位杂质几乎不影响超导电性,而S位杂质却表现出零能束缚态。(4)重度空穴掺杂的CsFe2As2超导体的磁通研究。磁通态是第二类超导体的典型特征。由于磁通之间的相互排斥作用,当钉扎作用较弱时,磁通倾向于形成六角格子。在CsFe2As2超导体中我们发现,当增加磁场时,磁通格子发生了从六角相到四方相的转变。我们基于磁通间相互作用的计算定性上支持了该实验结果。并且,我们也研究了磁通芯子态,发现磁通束缚态能量在零附近并不随着空间演变。通过对磁通束缚态进行分析,我们推断CsFe2As2某些能带上的费米能可能很小。
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