铁基超导单晶超薄微桥本征超导载流特性的研究

The high-Tc iron-based superconductors possess the high upper critical fields, larger critical current density, higher carrier density, and low anisotropic factor, thus it is significant to study on the superconducting current transport properties for understanding the high-Tc mechanism and the practical applications. Up to now, most of researchers focus on the investigation of bulk Fe-based superconductors, while the measurement signals of transport properties are considerably low due to the metallic behavior of the Fe-based superconductors. Moreover, it is difficult to fabricate the electrodes on the superconductors owing to the interface. These issues restrict the further investigations on the superconductors. In previous work of the applicants, the 122-type iron-based superconductors were fabricated into microbridges with nano-scaled thickness as the first time, in which the superconductor itself was used as the electrodes. Therefore, the problem of low signal and contact resistance can be solved effectively. As a result, the obtained critical current density accesses the capacity limit for the supercurrent of the materials, namely, the depairing current density. In the present project, we are planning to apply the micro-fabrication technique onto various material systems; systematically investigate the intrinsic superconducting current transport properties of the 11-type, 122-type and 1048-type Fe-based superconductors; explore the depairing current density and upper critical fields; elucidate the carrier profile with respect of temperature, magnetic fields and doping level for the two-band gap model; and consequently, study the superconducting gap profile of the superconductors. The progress of the present researches will provide trustful experimental supports for understanding the superconducting mechanism of the iron-based superconductors and application of low-dimensional superconductors (for instance the superconducting integrated chip).

铁基高温超导体具有上临界场高、电流密度大、载流子浓度高以及各向异性小等特点，系统研究其超导载流特性对理解高温超导机制和实际应用有重要意义。目前，铁基超导的研究主要集中在单晶块体上，但由于其金属性强，电输运特性测量中电压信号微弱，加之电极制备困难，限制了铁基超导的深入研究。申请人在前期工作中，首次将122体系单晶制备成纳米尺度超薄微桥，并利用超导材料本身作为电极，有效地解决了上述问题，测得的超流密度达到了材料的超流载荷极限,即拆对电流密度。本项目将把纳米制备技术应用于多个铁基超导体系，系统研究11-、122-和1048-等体系的本征超导载流特性，探求超流载荷极限和上临界磁场；阐明铁基超导体双能带模型下的载流子特性与温度、磁场和掺杂浓度之间的关系，从而研究铁基超导的超导能隙信息。本项目的顺利实施将为铁基超导机制的基础研究和在低维尺度下的实际应用（如超导集成芯片）提供可靠的实验依据。

近年来，高温超导技术已经有了长足的发展，但是目前还面临几个关键性的问题需要解决，为此低维超导材料在超导的基本物理和电子学潜在应用方面具有广阔的研究空间和发展前景，近些年来受到越来越多的重视，被寄予厚望能探索超导技术中若干关键性的问题。超导低维材料的研究已有了几十年的历史，但是主要集中在低温超导材料中。2008年，新型的高温超导家族，铁基高温超导体迅速成为了目前超导科学研究中的前沿领域。然而铁基高温超导低维材料和器件的研究相对较少。本项目旨在将纳米制备技术应用于多个铁基超导体系，系统研究11-和122-体系的本征超导载流特性，探求超流载荷极限和上临界磁场；阐明铁基超导体双能带模型下的载流子特性与温度、磁场和掺杂浓度之间的关系，从而研究铁基超导的超导能隙信息。具体完成了以下研究内容：1) 铁基超导体是一种新型的高温超导体，其基本物理性能还有待进一步精确表征。本项目研究的铁基超导微纳结构器件是由单晶材料直接制备而成，器件的物理性能可以较为直接地反应出该材料的本征特性，为铁基超导的研究提供了一种新型可靠的研究方法。2）传统的超导微纳结构器件制备方法是由薄膜材料而成，由于薄膜在制备过程中会出现大量的结构缺陷，因此薄膜样品的低维特性很难避免受到缺陷等外在因素的影响。本项目以单结晶材料为对象，通过严格控制单晶的质量，能有效地避免晶界等缺陷的影响。3) 高温超导量子态下超导序参量的研究，对于探索其低维体系中的诸多物理特性至关重要，并能为高温超导机制的探索提供一项新型的研究方向。然而，到目前为止，这方面的研究还鲜有报道。