研究背景
超導(dǎo)材料是固體物理學(xué)和材料科學(xué)中的一個重要研究方向。近年來，基于鐵（Fe）和硒（Se）的超導(dǎo)材料（FeSe及其衍生物）因其獨特的超導(dǎo)性能和潛在的應(yīng)用前景而成為研究熱點。然而，這類材料存在的一個主要挑戰(zhàn)是超導(dǎo)性與多種相互作用的復(fù)雜關(guān)系，尤其是與磁性和結(jié)構(gòu)畸變之間的耦合，限制了對超導(dǎo)機制的深入理解。為了更好地理解這些復(fù)雜的相互作用，科學(xué)家們開始關(guān)注由“向列相”引發(fā)的超導(dǎo)性，這種相是電子自發(fā)打破旋轉(zhuǎn)對稱性但保持平移對稱性的狀態(tài)。盡管理論上已充分證明由向列波動介導(dǎo)的超導(dǎo)性，但迄今為止，仍未在實驗中明確識別這一機制。FeSe1?xSx系列超導(dǎo)體提供了一個理想的研究平臺，因其具有孤立的向列相，并且通過硫摻雜可以將其引入量子臨界點。為了深入探討向列波動與超導(dǎo)性之間的關(guān)系，研究者通過對FeSe0.81S0.19樣品的動量結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)能隙在動量空間內(nèi)是各向異性的，且接近節(jié)點，且能隙的最小值方向相對于Fe-Fe方向旋轉(zhuǎn)了45°，這一結(jié)果與理論上由向列波動介導(dǎo)的超導(dǎo)性預(yù)期一致。這一發(fā)現(xiàn)表明，F(xiàn)eSe1?xSx材料的超導(dǎo)配對機制在向列相的影響下發(fā)生了變化，可能揭示了超導(dǎo)性和向列波動之間更為深刻的聯(lián)系。因此，F(xiàn)eSe1?xSx材料為研究由向列波動介導(dǎo)的超導(dǎo)性提供了寶貴的實驗支持。 為了解決這一問題，美國耶魯大學(xué)（Yale University）Pranab Kumar Nag, Kirsty Scott，Eduardo H. da Silva Neto等在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Highly anisotropic superconducting gap near the nematic quantum critical point of FeSe1?xSx”的最新論文。該團(tuán)隊針對Sr2RuO4的超導(dǎo)性問題，開展了深入的實驗和理論研究，設(shè)計或制備了高質(zhì)量的Sr2RuO4單晶。通過精確的角分辨光電子能譜（ARPES）和核磁共振（NMR）等實驗手段，研究團(tuán)隊深入探討了其超導(dǎo)配對的自旋狀態(tài)和對稱性。通過降低NMR實驗中的脈沖能量，團(tuán)隊成功避免了由于樣品過熱引發(fā)的偽結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了Sr2RuO4在超導(dǎo)狀態(tài)下的自旋配對為自旋單重態(tài)，而非此前推測的自旋三重態(tài)配對。該發(fā)現(xiàn)對解決長時間存在的自旋三重態(tài)配對假設(shè)提出了挑戰(zhàn)，并為超導(dǎo)對稱性研究提供了新的視角。此外，通過進(jìn)一步的實驗結(jié)果，研究人員還探討了是否存在水平節(jié)點，并且超導(dǎo)能隙的維度是1D還是2D的問題，為最終解決Sr2RuO4的超導(dǎo)對稱性問題奠定了基礎(chǔ)。
研究亮點
1. 實驗首次測量了FeSe0.81S0.19近量子臨界點的超導(dǎo)能隙的動量結(jié)構(gòu)，得到了該超導(dǎo)能隙呈現(xiàn)高度各向異性，并在45°方向上具有深的最小值，遠(yuǎn)離常見的由于自旋漲落介導(dǎo)配對的各向同性能隙結(jié)構(gòu)。 2. 實驗通過掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜學(xué)（STS）測量，揭示了FeSe0.81S0.19的超導(dǎo)能隙與常規(guī)鐵基超導(dǎo)體的自旋漲落介導(dǎo)配對模型不符，表明其超導(dǎo)配對機制可能是由向列相漲落介導(dǎo)的。這與理論預(yù)測相吻合，顯示出與量子臨界點附近的向列相波動密切相關(guān)的超導(dǎo)配對機制的變化。3. 實驗進(jìn)一步探討了FeSe1?xSx體系在量子臨界點附近的相圖，發(fā)現(xiàn)該體系的超導(dǎo)性并不表現(xiàn)出在量子臨界點處的顯著增強，反而在向列相區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出最強的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。這提示超導(dǎo)性和向列相波動之間存在競爭和合作關(guān)系。4. 實驗通過溫度依賴的譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eSe0.81S0.19的超導(dǎo)能隙隨溫度升高而逐漸壓制，這一現(xiàn)象為進(jìn)一步理解超導(dǎo)和量子臨界點附近的向列相波動之間的相互作用提供了有價值的數(shù)據(jù)支持。
圖文解讀
圖1: FeSe1?xSx相圖，以及超導(dǎo)FeSe0.81S0.19晶體和電子結(jié)構(gòu)。圖2: FeSe0.81S0.19超導(dǎo)態(tài)的準(zhǔn)粒子干涉quasiparticle interfe1?xce，QPI和能隙各向異性鑒定。 圖3: 在FeSe0.81S0.19中，布里淵區(qū)Bogoliubov 準(zhǔn)粒子干涉QPI。圖4: 在FeSe0.81S0.19中，超導(dǎo)能隙的角度依賴性。
總結(jié)展望
本文的研究為理解向列相漲落在鐵基超導(dǎo)體（FeSCs）中的作用提供了新的視角。首先，研究表明，由向列相漲落介導(dǎo)的超導(dǎo)性能夠自然地解釋FeSe0.81S0.19中觀察到的能隙結(jié)構(gòu)，尤其是45°方向上的最小值，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)的自旋密度波（SDW）或向列相之間的緊密耦合模型存在顯著差異。通過對低能態(tài)密度的分析，研究還揭示了量子臨界向列相漲落如何增強準(zhǔn)粒子激發(fā)，從而影響熱容等熱力學(xué)特性。此外，研究提出FeSe1?xSx在超導(dǎo)配對中可能存在雙重機制，既有長程向列相秩序通過自旋漲落誘導(dǎo)的能隙最小值，也有向列相漲落通過增強低能態(tài)密度引起的近節(jié)點現(xiàn)象。該工作為探索量子材料中的超導(dǎo)機制提供了新的理論框架，并推動了對向列相漲落與超導(dǎo)性關(guān)系的深入研究，尤其是在FeSe及其他四方鐵基超導(dǎo)體中的應(yīng)用。Nag, P.K., Scott, K., de Carvalho, V.S. et al. Highly anisotropic superconducting gap near the quantum critical point of FeSe1?xSx. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02683-x
