自从2008年,铁基超导体发现以来,铁基超导体引起了凝聚态物理领域的研究热潮,带来了许多新奇的物理现象以及潜在的巨大的应用前景。铁基超导体是继铜氧化物超导体以后的第二类高温超导体。在铜氧化物超导体的超导机理还未完全清楚的前提下,研究者对铁基超导的广泛研究,以及寻找两类超导体之间的内在联系,将对最终解决高温超导机理提供重要的研究结果。

1.铁基超导体的晶格结构


图1,不同家族的铁基超导体的晶体结构,以及其独特的反铁磁结构
铁基超导根据晶体结构的不同,主要分成几个大的分类:“11”,“111”,“1111”“122”等。跟铜氧化物超导相似,FeAs层或者FeSe层被认为是超导发生的地方,即导电层,其他层为载流子库层。
2.相图
跟铜氧化物超导体类似,铁基超导体也具有甚至比铜氧化物超导体更丰富信息的相图,可以实现从压制反铁磁结构到实现超导的过程。通过不等价元素替代,可以实现从不超导母体到过度参杂的空穴型或者电子型参杂。同时通过等价元素替代也可以实现从不超导到最佳超导然后超导温度再降低的一个鼓包形式的相图。甚至通过加压也可以出现类似相图。

图2. 铜基(左图)以及铁基(右图)超导体的相图
3.我们组对铁基超导体的研究
1)(Ba0.6K0.4)Fe2As2中多个没有节点的超导能隙的ARPES表征
在2008年,铁基超导体发现以后,众多的实验手段被用来对其进行实验研究。但是初期的单晶生长的困难限制了具有动量分辨的ARPES的利用。我们与晶体生长组合作,得到了宝贵的晶体。通过我们的激光ARPES我们在世界上第一个报道了铁基超导体的超导能隙的ARPES观测。该结果显示了最佳参杂(Ba0.6K0.4)Fe2As2的Γ点周围两个空穴型的费米面,M点一个小的电子型的费米面,以及M点周围的两个强亮点的结构。能隙测量显示了具有费米面依赖的结果:Γ点内部小的费米面显示了较大的能隙 约12meV,而外部较大的费米面显示了较小的能隙7-8meV。

图1. 最佳参杂的(Ba0.6K0.4)Fe2As2的Tc显示,以及费米面结构,高对称方向超导前后的能带结构对比
L.Zhao, X.J.Zhou* etc. arXiv:0807.0398, Chin. Phys. Lett. 25, 4402-4405(2008)
2)铁基超导体的能带重整化效应,以及独特的电子结构
我们最早报道了铁基超导体的能带结构的重整化效应,还首先观察到了在M点附近出现的奇特的费米面拓扑形状, 存在两个类似于狄拉克椎(Dirac cone-like)结构的亮点(strong spots);对新型铁基超导体母体BaFe2As2的电子结构做了详细测量,发现其独特的电子结构与不寻常的磁有序相关, 表明其自旋密度波有序是非传统的SDW态。

图2. (SrK)Fe2As2的费米面的拓扑结构以及M点不同束缚能的等能面

图3. BaFe2As2的费米面的拓扑结构以及M点磁转变温度上下的费米面拓扑结构
Haiyun Liu et al. Phys. Rev. B 78, 184514(2008)
Guodong Liu et al. Phys. Rev. B 80 (2009) 134519
3)在母体CeFeAsO中发现不寻常的电子结构以及色散异常
这是对CeFeAsO体系中第一篇高分辨率的ARPES报道。母体在约150K的温度处发生磁以及结构相变。我们的结果显示,其在Γ点发现四个空穴型的费米面,而在布里渊区顶点的M点发现一个小的电子型的费米面,围绕该费米面还有四个强的亮点的结构。这个能带结构与能带计算的存在着明显的出入,显示出了新的电子结构的信息。我们的结果还显示了磁-结构相变前后的准例子散射率的一个明显变化,并且在靠近M点的电子色散中首次发现了25meV的能带扭折的结构,预示着一种电子玻色子耦合的存在。

图4. CeFeAsO的费米面,能带结构以及相变前后准粒子散射率的变化
H.Y.Liu, X.J.Zhou* etc. Phys. Rev. Lett. 105, 027001 (2010)
4)(Tl0.58Rb0.42)Fe1.72Se2的各向同性的超导能隙以及奇特的费米面拓扑。
在这之前,对BaFe2As2等各种参杂材料的研究,形成了一种观点:布里渊区中心Γ点附近的空穴型的费米面跟布里渊区顶点M点的电子型费米面之间的嵌套效应是产生超导的原因。我们通过对(Tl0.58Rb0.42)Fe1.72Se2的APRPES测量发现这个材料在Γ点没有空穴型的费米面,取而代之的是两个电子型的费米面,尽管M点仍然保持了电子型的费米面,但是已经不具备嵌套条件。话句话说,至少在这个材料中,嵌套效应不是引起超导的原因,。进一步的能隙结构研究发现了Γ的外部费米面以及M点的费米面都展现了12-15meV的各项同性的超导能隙。我们的发现将对探索超导机理提供新的重要的信息。

图5. (Tl0.58Rb0.42)Fe1.72Se2的费米面结构
D.X.Mou, X.J.Zhou* etc. Phys. Rev. Lett. 106, 107001 (2011)
4)单层FeSe薄膜的高的超导温度的电子起源
最近报道的STM的结果显示了SrTiO3上单层FeSe薄膜可能存在着较高的超导临界温度,这引起了实验以及理论研究者的极大的兴趣。我们对这类材料进行了ARPES研究,国际上第一个从ARPES上报道了这个超导材料的电子结构。SrTiO3上FeSe薄膜的电子结构跟其他的铁基材料不同,其费米面只有布里渊区角上的电子型费米面,而在布里渊区中心没有任何能带穿越。进一步我们发现了各向同性的超导能隙,考虑到单层材料的二维性,我们认为这种材料的能隙结构是不存在能隙节点。这个实验结果告诉我们即使是这么简单的晶体结构,也能产生很高的超导临界温度。

图6. 不同铁基材料的费米面:a 单层FeSe的费米面,b (TlRb)e2Se2 费米面,c (BaK)Fe2As2的费米面。D 能带计算的β相FeSe的费米面
D.F.Liuƚ, W.H.Zhangƚ, D.X.Mouƚ, J.F.Heƚ, Q.K.Xue*, X.J.Zhou* etc. Nature Communications 3,931 (2012)
5)单层FeSe薄膜的相图以及破纪录高的超导临界温度
我们在SrTiO3衬底的单层FeSe进一步展开研究。我们对单层FeSe通过采用改变样品的退火温度与退火时间相结合的方式,来调节样品的载流子浓度获得了SrTiO3上单层FeSe薄膜的相图。我们发现相图主要是由两个相互相竞争的过程组成的。在参杂开始的时候主要是由不超导的N相构成,这个相跟体材料的反铁磁母体的电子结构很相似。随着退火的进一步进行,N相得到压制,而另一个相超导相S相逐渐出现,在合适的退火条件下,S相完全压制了N相,并进一步退火,S相展现了高达65±5K的破记录的超导临界温度。这个发现不仅给研究超导机理提供了重要的信息,而且为寻找更高Tc指出了一个方向.

图7.随着退火进度的SrTiO3上单层FeSe薄膜的能带结构的演化。
S.L.Heƚ , J.F.Heƚ, W.H.Zhangƚ, L.Zhaoƚ, X.C.Ma*, Q.K.Xue*, X.J.Zhou* etc. Nature Materials 12, 605(2013)