铁基超导体中杂质态的扫描隧道显微镜研究

Since the discovery of high temperature superconductivity in the iron pnictides and chalcogenides, the pairing mechanism of this family of superconductors remains as a hot and unresolved issue. The widely perceived S± pairing model mediated by the antiferromagnetic spin fluctuations is still lack of solid experimental evidence. One of the puzzles concerning this model is why superconductivity survives up to a relatively high temperature in some doped samples, where the dopants are supposed to be the pair breakers. The spatial and energy dependent local density of states induced by the impurity scattering can be regarded as the fingerprints for a formal check on this peculiar pairing model which can be measured by the scanning tunneling spectroscopy. We will find the well-defined quantum impurity and do research on the impurity states in iron based superconductors by using the ultra-high-vacuum, ultra-low-temperature and high magnetic field scanning tunneling microscopy, and we will also investigate the temperature or the magnetic field revolution of the local density of states of the non-magnetic or magnetic impurities. Compared with the theoretical predictions, the pairing model of the iron based superconductors will be studied by this project.

铁基超导体作为新发现的高温超导体系，它的配对对称性仍然是一个未解决的热点问题。虽然S±配对对称性被广泛提及，但是其直接实验证据并不多。此配对对称性的一个问题是为什么掺杂使得原来不超导的母体能够变成超导体并且有很高的超导临界转变温度，因为这些掺杂原子原则上应该会起到杂质散射的作用而破坏超导配对。掺杂原子的杂质散射会带来电子态密度在空间和能量关联上的特征变化，这些可以作为判定铁基超导对称性的指纹，而这一性质可以由扫描隧道显微镜测量。本项目利用超高真空低温强磁场的扫描隧道显微镜来寻找铁基超导体中杂质原子所在位置并研究其中的杂质态。我们将研究磁性和非磁性的掺杂杂质对局域电子态密度的影响，以及与这些杂质态相关的隧道谱随温度、磁场等的变化关系。测量结果将与理论计算结果对比，希望能够得到铁基超导样品配对对称性的重要信息，促进铁基超导体配对机理的理解。

铁基超导体作为除铜氧化物超导体之外的第二类高温超导体，自从被发现以来其超导电性的成因就备受关注。早期有人针对同时具有空穴费米口袋和电子费米口袋的铁砷基超导体提出了S± 配对模型，但是铁基超导体的费米面因材料而异，新发现的很多铁硒基超导体因缺乏空穴型费米面，对S±电子配对模型来说是一个挑战。掺杂原子的杂质散射会带来电子态密度在空间和能量关联上的特征变化，这些可以作为判定铁基超导对称性的指纹，而这一性质可以由扫描隧道显微镜测量。本项目计划利用了超高真空低温强磁场的扫描隧道显微镜来寻找铁基超导体中杂质原子所在位置并研究其中的杂质态，希望能够得到铁基超导样品配对对称性的重要信息，促进铁基超导体配对机理的理解。在项目执行过程中，我们研究了若干铁基超导体的杂质效应，取得系列成果。其中一个系列重要进展是：在只有电子型费米面的(Li1−xFex)OHFeSe超导材料中发现两个各向异性的超导能隙，利用准粒子相干散射实验第一次把这两个超导能隙对应到由电子型费米面套叠或杂化后形成的内外两套费米面上；通过非磁性杂质诱导产生的能隙内杂质态和新型电子驻波相位敏感实验的探测，证明该材料中超导能隙符号也发生反转。这一工作统一了有和没有空穴费米面的铁基超导体的能隙形式，支持排斥势是导致电子配对和超导电性产生的关键因素。