超导材料，又登Nature大子刊！
学术
2024-11-16 08:35
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研究背景
超导材料是固体物理学和材料科学中的一个重要研究方向。近年来，基于铁（Fe）和硒（Se）的超导材料（FeSe及其衍生物）因其独特的超导性能和潜在的应用前景而成为研究热点。然而，这类材料存在的一个主要挑战是超导性与多种相互作用的复杂关系，尤其是与磁性和结构畸变之间的耦合，限制了对超导机制的深入理解。为了更好地理解这些复杂的相互作用，科学家们开始关注由“向列相”引发的超导性，这种相是电子自发打破旋转对称性但保持平移对称性的状态。尽管理论上已充分证明由向列波动介导的超导性，但迄今为止，仍未在实验中明确识别这一机制。FeSe1−xSx系列超导体提供了一个理想的研究平台，因其具有孤立的向列相，并且通过硫掺杂可以将其引入量子临界点。为了深入探讨向列波动与超导性之间的关系，研究者通过对FeSe0.81S0.19样品的动量结构分析发现其超导能隙在动量空间内是各向异性的，且接近节点，且能隙的最小值方向相对于Fe-Fe方向旋转了45°，这一结果与理论上由向列波动介导的超导性预期一致。这一发现表明，FeSe1−xSx材料的超导配对机制在向列相的影响下发生了变化，可能揭示了超导性和向列波动之间更为深刻的联系。因此，FeSe1−xSx材料为研究由向列波动介导的超导性提供了宝贵的实验支持。 为了解决这一问题，美国耶鲁大学（Yale University）Pranab Kumar Nag, Kirsty Scott，Eduardo H. da Silva Neto等在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Highly anisotropic superconducting gap near the nematic quantum critical point of FeSe1−xSx”的最新论文。该团队针对Sr2RuO4的超导性问题，开展了深入的实验和理论研究，设计或制备了高质量的Sr2RuO4单晶。通过精确的角分辨光电子能谱（ARPES）和核磁共振（NMR）等实验手段，研究团队深入探讨了其超导配对的自旋状态和对称性。通过降低NMR实验中的脉冲能量，团队成功避免了由于样品过热引发的伪结果，进一步确认了Sr2RuO4在超导状态下的自旋配对为自旋单重态，而非此前推测的自旋三重态配对。该发现对解决长时间存在的自旋三重态配对假设提出了挑战，并为超导对称性研究提供了新的视角。此外，通过进一步的实验结果，研究人员还探讨了是否存在水平节点，并且超导能隙的维度是1D还是2D的问题，为最终解决Sr2RuO4的超导对称性问题奠定了基础。研究亮点
1. 实验首次测量了FeSe0.81S0.19近量子临界点的超导能隙的动量结构，得到了该超导能隙呈现高度各向异性，并在45°方向上具有深的最小值，远离常见的由于自旋涨落介导配对的各向同性能隙结构。 2. 实验通过扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱学（STS）测量，揭示了FeSe0.81S0.19的超导能隙与常规铁基超导体的自旋涨落介导配对模型不符，表明其超导配对机制可能是由向列相涨落介导的。这与理论预测相吻合，显示出与量子临界点附近的向列相波动密切相关的超导配对机制的变化。3. 实验进一步探讨了FeSe1−xSx体系在量子临界点附近的相图，发现该体系的超导性并不表现出在量子临界点处的显著增强，反而在向列相区域内表现出最强的超导转变温度（Tc）。这提示超导性和向列相波动之间存在竞争和合作关系。4. 实验通过温度依赖的谱学研究发现，FeSe0.81S0.19的超导能隙随温度升高而逐渐压制，这一现象为进一步理解超导和量子临界点附近的向列相波动之间的相互作用提供了有价值的数据支持。图文解读
图1: FeSe1−xSx相图，以及超导FeSe0.81S0.19晶体和电子结构。图2: FeSe0.81S0.19超导态的准粒子干涉quasiparticle interfe1−xce，QPI和能隙各向异性鉴定。 图3: 在FeSe0.81S0.19中，布里渊区Bogoliubov 准粒子干涉QPI。图4: 在FeSe0.81S0.19中，超导能隙的角度依赖性。总结展望
本文的研究为理解向列相涨落在铁基超导体（FeSCs）中的作用提供了新的视角。首先，研究表明，由向列相涨落介导的超导性能够自然地解释FeSe0.81S0.19中观察到的能隙结构，尤其是45°方向上的最小值，这一现象与传统的自旋密度波（SDW）或向列相之间的紧密耦合模型存在显著差异。通过对低能态密度的分析，研究还揭示了量子临界向列相涨落如何增强准粒子激发，从而影响热容等热力学特性。此外，研究提出FeSe1−xSx在超导配对中可能存在双重机制，既有长程向列相秩序通过自旋涨落诱导的能隙最小值，也有向列相涨落通过增强低能态密度引起的近节点现象。该工作为探索量子材料中的超导机制提供了新的理论框架，并推动了对向列相涨落与超导性关系的深入研究，尤其是在FeSe及其他四方铁基超导体中的应用。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 纳米人学术QQ交流群
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