物理系中科院强耦合量子材料物理实验室陈仙辉、吴涛等人组成的超导研究团队近日在铁基高温超导体研究中取得重要进展。该研究团队在有机离子插层的二维层状铁硒基高温超导体中揭示了由二维超导涨落导致的“赝能隙”现象，为研究铁基超导材料中的高温超导机理提供了关键性的实验证据。相关研究成果于8月28日以“Preformed Cooper Pairs in Layered FeSe-Based Superconductors”为题在线发表于物理学知名杂志《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 097003 (2020)]。
超导电性包含了两种奇妙的量子物理现象：电子配对以及电子对的长程相位相干。在传统的低温超导体中，电子配对与相位相干在超导转变温度同时发生，超导转变温度的高低可以由电子配对形成的能隙大小来决定。然而，在高温铜氧化合物超导体中，特别是对于欠掺杂区的超导电性，其电子配对温度显著高于相位相干温度，因而超导转变温度的高低最终是由相位相干来决定的。由于电子的预配对，在超导温度以上会形成由超导涨落所导致的“赝能隙”现象。在实验上，特别是在欠掺杂区，在远高于超导转变温度以上的温区（甚至高于室温）人们很早就已经发现了“赝能隙”现象。但是，在高温铜氧化合物超导体中，关于“赝能隙”的起源却有着非常大的争议，主要原因是铜氧化物超导体中除超导态以外还存在其它丰富的电子有序态，这些有序态也有可能会产生“赝能隙”现象。理解高温超导体中的“赝能隙”现象被认为是解决高温超导机理的关键之一。2008年，铁基高温超导材料家族的发现，为研究高温超导机理带来了一个新的契机。那么，在铁基高温超导体中是否也有“赝能隙”现象以及其来源又是什么？回答这一问题对于建立一个统一的高温超导机理具有重要的意义。
在之前的铁基超导体研究中，已经有过一些与超导涨落相关的“赝能隙”现象的实验探索工作，但是这些前期的实验结果要么是认为没有“赝能隙”现象，要么是观察到的“赝能隙”现象与超导涨落没有关联或者是在一个相同的材料体系中存在相互矛盾的实验结果，因而与超导涨落相关的“赝能隙”现象到目前为止还没有获得确定性的实验证据。近年来，陈仙辉教授团队始终致力于新型高温铁基超导材料的探索，并利用电化学插层技术实现了一系列具有高超导转变温度的二维铁硒基高温超导材料（超导转变温度达到40K以上）以及其它二维功能材料 （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)）。通过有机离子的电化学插层，这些新型的铁硒基高温超导体具有了非常强的二维性质，其电导率的面内外各向异性可以达到104数量级，这与高温铜氧化合物超导体的二维性质非常相似。之前关于高温铜氧化合物超导体的研究已经表明（Nature 575, 156–163 (2019)），在这种具有强的各向异性的二维层状高温超导材料中，其块体性质与单层性质几乎一致，表明其块体材料已经具有了准二维的物理性质，其中就包括二维超导涨落。因此，这类二维层状铁硒基高温超导体成为了探索与超导涨落相关的“赝能隙”现象的绝佳材料体系。
图示：(a) FeSe与有机离子插层的二维(TBA)xFeSe超导体的晶体结构；(b) (TBA)xFeSe超导体的磁场-温度相图。
针对上述科学问题，陈仙辉、吴涛等人组成的超导研究团队首先通过核磁共振技术在有机插层的二维铁硒基高温超导体(TBA)xFeSe（TBA为四丁基铵的缩写）中证实了在超导转变温度（Tc~ 43K）之上的确存在显著的“赝能隙”特征，其“赝能隙”起始温度大约在60K左右。随后，再通过进一步的各向异性的抗磁性和能斯特效应两个实验方法证明在上述“赝能隙”温区存在明显的二维超导涨落特征。综合上述各种实验结果，最终断定在该铁硒基高温超导体中存在由二维超导涨落导致的“赝能隙”现象。上述重要实验发现不但揭示了二维层状铁硒基高温超导体中的 “赝能隙”现象，同时也为理解单层铁硒薄膜样品中的高温超导电性提供了新的理解和解释。
图示： FeSe超导体中自旋-轨道耦合的电子向列相的物理示意图。
此外，陈仙辉、吴涛等人组成的超导研究团队最近还在铁硒超导体的电子向列相机理的实验研究中取得了重要的进展。通过位置选择性的核磁共振测量，实现了对电子向列相中轨道和自旋自由度相关序参量的选择性表征，并将结果与自旋或轨道导致的向列相理论模型进行了比对，发现铁硒超导体中的电子向列相并不能简单地理解为由单一的自旋或轨道自由度驱动的向列相，而是一种自旋-轨道纠缠的向列相，其中自旋-轨道耦合也起到了重要作用。这一结果将为理解铁基超导体中电子向列相的物理起源提供重要的实验线索。相关工作已于近期以“Spin-Orbital-Intertwined Nematic State in FeSe”为题发表在《Physical Review X》上[Phy. Rev. X 10, 011034 (2020)]。
合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士研究生康宝蕾、石孟竹为相关Phys. Rev. Lett.论文的共同第一作者，李建为相关Physical Review X文章的第一作者，陈仙辉教授和吴涛教授为上述文章的共同通讯作者。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院以及安徽省引导项目的相关基金资助。
论文链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.097003
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.10.011034
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、科研部）