研究確定只具有空穴型費米面鐵基超導體的超導能隙對稱性

自2008年發現以來，作為第二大類高溫超導材料的鐵基超導體的超導配對機理一直是凝聚態物理領域的重大前沿問題。確定超導能隙對稱性和導致電子配對的媒介是解決超導機理的兩個先決條件。鐵基超導體是一個典型的多帶體系，其配對對稱性和費米面的拓撲結構密切相關。大多數鐵基超導體具有布里淵區中心（Γ點）的空穴型費米面和布里淵區角落（M點）的電子型費米面，其配對對稱性普遍被認為是s± (Γ-M)，即在Γ點空穴型費米面和M點電子型費米面上超導能隙符號相反的s波。在電子摻雜的只具有電子型費米面的鐵基超導體中，例如單層FeSe/SrTiO₃超導薄膜的配對對稱性尚有爭議，可能是s±波或d波。而在空穴摻雜的鐵基超導體中，極度過摻區域會得到只具有空穴型費米面的情形，其配對對稱性引起了廣泛討論，提出的可能性包括s±(Γ-Γ)，即在Γ點兩個費米面上配對符號相反的s波或者d波等。厘清超導配對對稱性和不同費米面結構之間的關系，對理解鐵基超導體的超導機理至關重要。

KFe₂As₂是典型的只有空穴型費米面的鐵基超導體，處于（Ba_1-xK_xFe₂As₂）體系的摻雜末端（x=1），具有約3.5K的超導轉變溫度。有實驗表明在（Ba_1-xK_x）Fe₂As₂摻雜x=0.8附近有時間反演對稱性破缺，暗示其左右兩邊發生了配對對稱性的改變；其低溫的線性比熱系數（索末菲爾德系數）很大，引起了對其重費米子行為起源的討論。作為具有對電子動量分辨本領的實驗方法，角分辨光電子能譜（ARPES）是研究這些問題最直接的實驗手段。然而，KFe₂As₂的超導轉變溫度極低，超導能隙極小，常規ARPES對其超導態的電子結構和能隙結構很難進行測量。

中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室周興江團隊，與中國科學院理化技術研究所許祖彥團隊、理論物理研究所吳賢新等合作，利用自主研制的大動量極低溫深紫外激光角分辨光電子能譜儀，克服了KFe₂As₂超導態電子結構測量需求的極低溫和超高分辨率的難題。通過對KFe₂As₂的電子結構和超導能隙進行研究，該工作確定了KFe₂As₂的費米面結構和超導能隙對稱性，為鐵基超導的配對機理提供了重要信息。

基于自行生長的具有3.7K轉變溫度的高質量KFe₂As₂單晶，深紫外激光ARPES測量了其精細的費米面結構和超導能隙結構。費米面結構顯示為Γ點附近α、β和γ三個空穴型費米面，以及圍繞M點的四個小空穴型費米面。細節特征顯示，β費米面發生了劈裂，進一步研究表明其中一支來源于表面態。圍繞Γ點，研究人員還觀察到四個小空穴型費米面，這是由于樣品解理面存在√2x2表面重構，導致Γ點和M點的電子結構相互折疊，這四個小空穴型費米面實際上來源于M點附近的費米面折疊到了Γ點附近。這個特性使得深紫外激光ARPES不僅能測量到Γ點附近，還能測量M點附近的電子結構，提供了全面研究KFe₂As₂費米面和超導能隙結構的機會。

該研究揭示了超導能隙在不同溫度下的打開與關閉，以及低溫下超導能隙的費米面依賴行為；詳細分析了KFe₂As₂中的ε能帶，發現其正常態是一個很平的能帶，與KFe₂As₂的重費米子行為有關。進一步計算表明，KFe₂As₂比熱的索末菲爾德系數有接近一半來源于ε能帶，說明其對重費米子行為起重要作用。

基于低溫下完整費米面的獲取，該研究提取了所有費米面的能隙大小隨著動量的分布，并對其能隙對稱性進行深入分析。結果表明，KFe₂As₂的超導能隙對稱性為s± (Γ-M)，即Γ和M點的空穴型費米面之間能隙符號變號，原因在于：能隙大小分布定性符合s± (Γ-M)的簡單形式；結合非彈性中子散射的結果，Γ點附α/β和M點附ε的嵌套矢量和自旋共振的波矢相符，表明Γ點附近和M點附近的能隙符號反轉；嵌套矢量連接的能隙大小和自旋共振能量的關系滿足普適規律；費米面上出現很多能隙節點，這些節點的位置都出現在s± (Γ-M)的簡單形式給出的節線附近。這些證據表明KFe₂As₂的超導能隙對稱性為s± (Γ-M)。

KFe₂As₂的能隙對稱性存在爭議許久，其獨特的費米面結構也使其研究十分重要。之前研究普遍認為其超導能隙對稱性對應s±(Γ-Γ)。這項工作明確了KFe₂As₂的超導能隙對稱性為s± (Γ-M)，表明只具有空穴費米面的KFe₂As₂的能隙對稱性和同時具有空穴型和電子型費米面的體系具有相同的能隙對稱性，統一了這兩類不同費米面的超導體系，為鐵基超導體的配對機理研究提供了重要信息。

近日，相關研究成果發表在《自然-物理學》（Nature Physics）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接