铁基超导体的扫描隧道谱学研究

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作为第二个高温超导体系,铁基材料的超导机理并不能用基于传统电声子耦合的BCS理论描述。这类材料和铜氧化物类似,在相图上超导电性往往出现在反铁磁序的临近区域,预示着自旋涨落可能取代声子,在超导配对中扮演着重要角色。结合铁基超导的费米面形状,这样的配对机制将会导致铁基超导具有s±的能隙结构,即在单个费米面上超导能隙无节点,但在空穴型和电子型费米面之间相位相反。由于铁基超导具有多带特性,其相图和能隙结构有着丰富的变化,使得对该类材料的配对机制和配对对称性的认识目前仍然没有达成一致。如果能理解铁基材料中超导的起源和其配对对称性,将为解决高温超导机理提供重要的参考。  本文的研究内容即围绕上述问题展开。通过使用扫描隧道谱学研究,我们希望找到铁基超导体中特定的玻色子-准粒子耦合和能隙对称性的相关线索。本文内容包括:  (1)研究了Ba0.6K0.4Fe2As2和NaFe0.975 Co0.025As样品中玻色激发模和超导电性的关系。从隧道谱中发现了玻色激发与超导准粒子耦合的特征结构,该玻色激发能量与样品中自旋共振能量十分接近,为自旋涨落-准粒子耦合提供了证据。同时,该玻色激发模式与超导性质紧密相关,当温度升高至临界温度以上,或者进入磁通涡旋中心时,该结构和超导特征同时减弱直至消失。结合非弹性中子散射数据,我们发现在铁基超导中,玻色激发能量和中子共振峰能量接近并且和超导转变温度Tc之间存在普适的线性关系。对该玻色模的两种理解都说明铁基超导的磁性配对起源。  (2)用杂质散射效应研究了超导配对对称性。超导配对对称性是机理的直接反映。在铁基材料中,自旋涨落配对将导致能隙的s±对称性;而基于轨道涨落的配对理论将给出s++态的超导能隙,目前还缺少区分这两种模型的决定性判据。我们在Co或者Co、Cu双掺杂的NaFeAs样品中确定了掺杂的Cu杂质和Co杂质的形貌和位置,并用磁化测量表明它们为非磁性杂质。隧道谱显示Cu杂质可以压制超导相干峰,并诱导出能隙内束缚态,这为s±模型提供了坚实的证据。在Co杂质周围准粒子态密度并没有明显改变,说明Co杂质的散射势比较弱或者只引入带内散射。  (3)研究了NaFe0.96Co0.03Mn0.01As表面吸附磁性原子的近藤效应。当磁性原子处在超导背景中时,近藤共振和超导配对共同竞争费米面的电子态密度。在低温下,吸附原子附近测量的隧道谱依然表现出超导特性,但高能部分被剧烈改变,背景形成一个清晰的近藤共振态。谱线可以用Fano公式拟合且随温度的演化规律也可以被近藤共振行为所描述,更加证明了在吸附原子附近,近藤效应在起着重要作用。在超导态,磁性吸附原子并没有诱导出清晰的能隙内束缚态,这也可以用杂质自旋被近藤屏蔽来理解。  综上所述,我们用扫描隧道显微镜在铁基超导体中发现了和中子自旋共振峰对应的玻色-准粒子耦合模式并且该玻色模和超导性质紧密相关;利用杂质散射效应证明了其s±的配对对称性;发现了能量尺度大于超导能隙的近藤效应对准粒子态密度的修正,这些结果对于理解铁基超导的配对对称性和超导起源有重要参考意义。
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