今日Nature：铁基超导体中的重大新发现！

【前言】

当电子配对形成Cooper对，然后建立相位相干性以凝聚成宏观量子态即超流体时，出现超导性。 Cooper配对由配对的结合能Δ_CP控制，相位相干性（或刚度）控制超流体密度，n_SF。对于常规超导体，如铝或铅，因为晶格常数远小于Cooper对的尺寸（通常为数百纳米），超流体密度在空间上是均匀的，并且大的超流体密度保证了高相位刚度。在非常规的强相关超导体中，情况与传统超导体的情况大不相同，原因如下：（i）Cooper对的大小通常较小，大致由相干长度给出;（ii）超流体密度较小;（iii）由于掺杂剂原子或相分离或电荷有序的内在趋势，存在较高的无序;（iv）超导间隙的变化迹象。尽管取得了很大进展，但我们缺乏对强相关超导体的理论认识。

【成果简介】

今日，荷兰莱顿大学的D. Cho1、K. M. Bastiaans和D. Chatzopoulos (共同第一作者)在M. P. Allan教授（通讯作者）的指导下与美国布鲁克海文国家实验室的G. D. Gu合作，在顶级期刊Nature上发表了题为“A strongly inhomogeneous superfluid in an iron-based superconductor”的文章。本研究中作者们使用原子分辨的扫描隧道显微镜来揭示铁基超导体FeTe_0.55Se_0.45中的强不均匀超流体。通过同时测量超导体的形貌和电子特性，我们发现超流体中的这种不均匀性不是由结构紊乱或强大的袋间散射（inter-pocket scattering）引起的，并且与破坏电子对所需的能量变化无关。相反，我们在局部尺度上看到超流体密度与准粒子强度（相干峰的高度）之间存在明显的空间相关性。而之前在宏观尺度上已观察到类似的关系。我们的研究结果使铁基超导体与氧化铜超导体处于同等的地位。

【图文导读】

图一、约瑟夫森STM的原理

a，由尖端和样本组成的约瑟夫森结的示意图。 b，尖端和样品之间的准粒子隧穿的示意能量图。实线黑线表示作为能量函数的状态密度（横轴）（纵轴）;填充（空）状态用蓝色（红色）表示;虚线表示费米能级EF。当电压偏置VB大于（Δ_CP，s+Δ_CP，t）/ e时，准粒子可以隧道（e是电子电荷）。 c，准粒子隧穿的电流 - 电压特性曲线（蓝色）。虚线表示零值。箭头表示2（Δ_CP，s+Δ_CP，t）/ e。 d，约瑟夫森结的等效电路图;复阻抗Z（ω）代表电磁环境。 e，约瑟夫森结中非弹性Cooper对隧穿的示意图。 Cooper对通过发射hν= 2eVB（波浪箭头; h，普朗克常数;ν=ω/2π，频率）的能量与环境相互作用，然后穿过结点。 f，使用IZ和P（E）模型获得的Cooper对隧道效应的模拟电流 - 电压曲线。两条曲线在与I_C²成比例的有限偏压下呈现最大电流I_max（1C，临界超电流）。

图二、约瑟夫森隧道谱在FeTe_0.55Se_0.45上

a，原子分辨的地形图像（设置电压，V_set= -10 mV;设置电流，I_set= 5 nA）。 更亮（更暗）的原子对应于Te（Se）。 b，在红十字位置获得的微分电导谱乘以正常状态电阻。 黑色箭头表示相干峰。 可以在较小的偏压下观察到约瑟夫森电流。 设置条件：V_set= -10 mV; I_set= 30 nA; 锁定调制，V_mod=20μV峰峰值。 C。 不同正常状态电阻的电流 - 电压特性曲线。 以V_set= -10mV获得所有光谱。 d，差分电导谱（使用与c中相同的设置条件和V_mod=20μV峰峰值的锁定调制获得）乘以相应的正态电阻，得到无量纲数量。

图三、可视化FeTe0.55Se0.45中的超流体

a，25×25nm²的FeTe_0.55Se_0.45的地形图像（V_set= -6mV，I_set= 0.12nA）。 b，（I_CR_N）²的空间分辨图，表示文中讨论的超流体密度（V_set= -6mV，I_set= 5nA，V_mod=30μV峰 - 峰）。 c，沿b中蓝线获得的一系列微分电导谱乘以EF周围的正常状态电阻。 d。 VB = +3.6 mV时的电导图。具有强准粒子干涉图案的区域由红色轮廓标记，红色轮廓通过使用插图中所示的滤波器（红色圆圈）的QPI数据的傅里叶滤波（参见扩展数据图8）获得。插入，傅里叶变换;十字架表示布拉格峰位置。 e，对断开间隙图，Δ=Δ_CP，t+Δ_CP，s;插图显示了典型的光谱。 f，相干峰高图（QPS），与对断裂间隙同时提取，如插图所示。 b-f中的所有地图都在与用于a中的地形图的相同视野中获得，并且使用同时获取的地形图在每个点处使图像彼此对准。 d-f的设置条件是V_set= -6mV，I_set= 0.3nA和V_mod=400μV峰峰值。

图4、（ICRN）2与相干峰高的相关性

a，相干峰高度的分类光谱（V_set= -6mV，I_set= 0.3nA）和零偏差约瑟夫森峰（插图; V_set= -6mV，I_set= 5nA）。 通过图3b中所示的超流体密度图的分级对光谱进行分类。 颜色对应于图3f中颜色条指示的准粒子强度。 b，如文中讨论的，从（I_CR_N）²提取的相干峰高度和超流体密度之间的相关性，产生0.58的相关因子（虚线）。 插图显示了超流体密度与QPS，QPI，Δ_CP和地形高度之间的相关因子的距离依赖性。

【小结】

我们的研究结果表明，在非常规超导体中存在强非均匀超流体，排除了化学无序和带间散射作为不均匀性的原因，并揭示了准粒子特征与超流体密度之间的关系。我们检测并直接成像强烈不均匀的超流体，同时用原子分辨率测量同一视场中的电子和形貌属性。我们发现超流体的不均匀性不是由Se / Te合金化引起的结构紊乱（通过袋间散射或通过对断裂能隙的变化引起的）。相反，超流体密度与准粒子峰的锐度呈显着正相关：在Cooper配对的长度范围内，局部相干准粒子似乎需要超导性。使用此处描述的技术研究其他材料中的超流体密度将是有益的，包括超导体 - 绝缘体转变，无序常规超导体或扭曲双层石墨烯。最后，我们预计未来的温度依赖性超流体密度和间隙测量将阐明局部和整体机制限制T_C在非常规超导体中的作用。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1408-8.（Nature, DOI:10.1038/s41586-019-1408-8）

本文由踏浪供稿。