利用STM研究基于高温超导体的真空隧道结到点接触的连续演化

The discovery of high-Tc superconductors opened up a new field in condensed matter physics. On the one hand, the mechanism of high-Tc superconductivity is still under debate after almost thirty years of intense investigations. In order to get further insight into this intriguing issue, new information/clues are strongly desired which may be obtained by introducing some new experimental schemes. On the other hand, high-Tc superconductors provide a platform to revisit some existing physical problems such as interface physics between two kinds of materials. In this project, we try to use high-stability STM/STS to achieve a controllable transition from tunneling regime to point contact between normal metals and high-Tc superconductors. This will help to study the relationship between superconducting gap and pseudogap and multi-gap issue in nanoscale and to understand various regimes related to high-Tc superconductivity such as quantum transport, proximity effect, etc.

包括铜基超导体和铁基超导体在内的高温超导体的发现为凝聚态物理的研究开辟了新的领域。一方面，直到今天，人们仍然对高温超导机理的一些关键问题没有达成共识，比如铜基超导体中超导能隙与赝能隙的关系，以及铁基超导体的配对对称性问题。为了解决这些难题，从实验的角度来讲，提高测量精度固然重要，但是引入精巧的实验方案也可能提供新的线索。另一方面，高温超导体的发现为一些老的物理问题注入了新的内容，比如正常金属与超导体之间多样化的界面输运行为。本项目拟利用高精度高稳定度的低温强磁场扫描隧道谱仪（STM/STS）在正常金属针尖和高温超导体之间实现从真空隧道到点接触（或者Andreev反射）的连续过渡，直接从微观尺度上考察高温超导体中超导能隙和赝能隙的关系以及多能隙问题，同时研究在此过程中可能出现的针尖对样品表面局域电子态的调制、量子通道效应、邻近效应，等等与超导相关的效应。

基于超导或者相关材料形成的异质结，在结区的势垒从隧道极限过渡到点接触极限的整个过程中，呈现出丰富的物理现象，对应着与材料本征性质密切相关的物理机制。本项目致力于利用STM/STS和点接触技术对异质结的输运性质（隧道谱或者微分电导谱）的测量，帮助我们理解异质结的多种物理过程和物理机制，比如判别高温超导中超导能隙与赝能隙或者其它能隙，理解隧道谱或者点接触谱上的反常特征，利用针尖对样品进行调制，诱发新的物理现象等等。在本项目的资助下，我们取得了以下结果：1）利用STM/STS在铁基超导体中实现了从隧道极限到点接触极限的过渡，观察到了单粒子隧道谱到Andreev反射谱的演化，提供了在微观尺度上研究真实超导序参量分布的方法；2）在铜氧化物超导体铋系单晶上尝试隧道极限到点接触极限的过渡，由于系统中缺乏针尖的原位修饰功能，很难得到理想的针尖从而顺利进入点接触极限。于是我们尝试在铋系单晶样品表面直接制备软接触，成功得到了温度和磁场依赖的隧道谱，对隧道谱的超导本质进行了判别；3）利用自主搭建STM/STS的高稳定性，在经典的超导与CDW共存系统2H-NbSe2表面测量了高精度的二阶微分谱，发现了一系列精细特征，证明来自于非弹性隧穿过程，不仅澄清了长期以来的35mV能隙状特征的真实起源，同时提供了一个模型系统，便于在微观尺度上研究低维系统中的电声子耦合；4）基于点接触技术，成功利用多种正常金属针尖在系列的拓扑半金属材料中实现了局域超导，通过设计实验和理论分析，发现诱导出的超导电性由体能带主导，而且具有非常规超导的特性，超导起源来自于针尖和样品直接的耦合，而不是针尖压力或者尺寸受限效应，从而推论出可以通过合适的镀膜手段形成正常金属/拓扑半金属异质结，实现非局域的超导，并在TaAs和WC上取得了初步的成功。这些工作也为今后进一步利用STM/STS和点接触技术研究非常规超导体的电子态提供了经验，并为在异质结构中探索新的非常规超导电性或者新的物理现象提供了思路。