铁基超导体的单电子隧道及约瑟夫森效应的研究

2008年初，日本和我国的科学家相继发现了一类新的超导材料 - - 铁基超导材料，从而引发了国际范围内的人们的巨大兴趣，这一领域的各方面的研究工作目前仍在进行和发展中。超导单电子隧道和约瑟夫森效应一直是探测超导体电子态性质和材料在器件应用方面的重要内容，目前对铁基超导体来说，这方面的研究还刚刚起步。本项目将在我们已有的对铜氧化物超导体所积累的类似研究工作的基础上，深入、系统地开展对铁基超导材料单电子隧道和约瑟夫森效应研究。我们将同时进行本征和非本征的隧道结的探索，以期获得材料的电子态性质、电子的配对机制、以及器件的宏观量子态性质的重要信息，从而为铁基超导体今后在物理性质及器件应用方面的进一步研究奠定基础。

本项目拟研究Fe基超导体本征结和表面结中的单电子隧道谱和宏观量子现象。项目研究从Bi系铜氧化物单晶的探索开始，但对各种Fe基材料的研究分别遇到了下述困难：（1）FeAs-1111：单晶尺寸近年来一直做不大，通常仍在0.1 毫米上下，本征隧道结还难以加工；（2）FeAs-122：单晶在解理时要形成平整的、合适大小的平面十分困难；（3）LiFeAs-111：在空气（水份）中极不稳定，这使进一步的器件制备难以进行。. 项目系统研究了Bi系超导体与常规超导体的界面性质、及超导能隙和赝能隙的性质。通过对不同掺杂的Bi2212本征隧道谱的研究，我们发现在T*温度赝能隙出现后，随着温度的降低超导能隙会在某个温度Tc0打开，其中Tc0明显高于超导转变温度Tc，而超导能隙随温度的变化与d波BCS能隙规律完全符合。在动量空间，赝能隙和超导能隙分别主导反节点区和节点区。超导配对先出现在节点附近的费米弧上，到了Tc以下，它由节点区逐渐扩展到反节点区。对最佳掺杂的Bi2201材料的研究发现，尽管隧道谱的特征与Bi2212材料有很大的差别，其物理规律却十分相似，即同样存在T*、Tc0和Tc三个特征温度点，与Bi2212不同的地方是超导配对存在于完全的费米面。这些结果表明了超导态从赝隙态中发展产生，并在Tc到Tc0范围存在超导预配对现象，超导态和赝隙态相互联系但可能起源于不同物理机制。