研究背景
超導材料是固體物理學和材料科學中的一個重要研究方向。近年來，基于鐵（Fe）和硒（Se）的超導材料（FeSe及其衍生物）因其獨特的超導性能和潛在的應用前景而成為研究熱點。然而，這類材料存在的一個主要挑戰是超導性與多種相互作用的復雜關系，尤其是與磁性和結構畸變之間的耦合，限制了對超導機制的深入理解。為了更好地理解這些復雜的相互作用，科學家們開始關注由“向列相”引發的超導性，這種相是電子自發打破旋轉對稱性但保持平移對稱性的狀態。盡管理論上已充分證明由向列波動介導的超導性，但迄今為止，仍未在實驗中明確識別這一機制。FeSe1?xSx系列超導體提供了一個理想的研究平臺，因其具有孤立的向列相，并且通過硫摻雜可以將其引入量子臨界點。為了深入探討向列波動與超導性之間的關系，研究者通過對FeSe0.81S0.19樣品的動量結構分析發現其超導能隙在動量空間內是各向異性的，且接近節點，且能隙的最小值方向相對于Fe-Fe方向旋轉了45°，這一結果與理論上由向列波動介導的超導性預期一致。這一發現表明，FeSe1?xSx材料的超導配對機制在向列相的影響下發生了變化，可能揭示了超導性和向列波動之間更為深刻的聯系。因此，FeSe1?xSx材料為研究由向列波動介導的超導性提供了寶貴的實驗支持。 為了解決這一問題，美國耶魯大學（Yale University）Pranab Kumar Nag, Kirsty Scott，Eduardo H. da Silva Neto等在“Nature Physics”期刊上發表了題為“Highly anisotropic superconducting gap near the nematic quantum critical point of FeSe1?xSx”的最新論文。該團隊針對Sr2RuO4的超導性問題，開展了深入的實驗和理論研究，設計或制備了高質量的Sr2RuO4單晶。通過精確的角分辨光電子能譜（ARPES）和核磁共振（NMR）等實驗手段，研究團隊深入探討了其超導配對的自旋狀態和對稱性。通過降低NMR實驗中的脈沖能量，團隊成功避免了由于樣品過熱引發的偽結果，進一步確認了Sr2RuO4在超導狀態下的自旋配對為自旋單重態，而非此前推測的自旋三重態配對。該發現對解決長時間存在的自旋三重態配對假設提出了挑戰，并為超導對稱性研究提供了新的視角。此外，通過進一步的實驗結果，研究人員還探討了是否存在水平節點，并且超導能隙的維度是1D還是2D的問題，為最終解決Sr2RuO4的超導對稱性問題奠定了基礎。
研究亮點
1. 實驗首次測量了FeSe0.81S0.19近量子臨界點的超導能隙的動量結構，得到了該超導能隙呈現高度各向異性，并在45°方向上具有深的最小值，遠離常見的由于自旋漲落介導配對的各向同性能隙結構。 2. 實驗通過掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜學（STS）測量，揭示了FeSe0.81S0.19的超導能隙與常規鐵基超導體的自旋漲落介導配對模型不符，表明其超導配對機制可能是由向列相漲落介導的。這與理論預測相吻合，顯示出與量子臨界點附近的向列相波動密切相關的超導配對機制的變化。3. 實驗進一步探討了FeSe1?xSx體系在量子臨界點附近的相圖，發現該體系的超導性并不表現出在量子臨界點處的顯著增強，反而在向列相區域內表現出最強的超導轉變溫度（Tc）。這提示超導性和向列相波動之間存在競爭和合作關系。4. 實驗通過溫度依賴的譜學研究發現，FeSe0.81S0.19的超導能隙隨溫度升高而逐漸壓制，這一現象為進一步理解超導和量子臨界點附近的向列相波動之間的相互作用提供了有價值的數據支持。
圖文解讀
圖1: FeSe1?xSx相圖，以及超導FeSe0.81S0.19晶體和電子結構。圖2: FeSe0.81S0.19超導態的準粒子干涉quasiparticle interfe1?xce，QPI和能隙各向異性鑒定。 圖3: 在FeSe0.81S0.19中，布里淵區Bogoliubov 準粒子干涉QPI。圖4: 在FeSe0.81S0.19中，超導能隙的角度依賴性。
總結展望
本文的研究為理解向列相漲落在鐵基超導體（FeSCs）中的作用提供了新的視角。首先，研究表明，由向列相漲落介導的超導性能夠自然地解釋FeSe0.81S0.19中觀察到的能隙結構，尤其是45°方向上的最小值，這一現象與傳統的自旋密度波（SDW）或向列相之間的緊密耦合模型存在顯著差異。通過對低能態密度的分析，研究還揭示了量子臨界向列相漲落如何增強準粒子激發，從而影響熱容等熱力學特性。此外，研究提出FeSe1?xSx在超導配對中可能存在雙重機制，既有長程向列相秩序通過自旋漲落誘導的能隙最小值，也有向列相漲落通過增強低能態密度引起的近節點現象。該工作為探索量子材料中的超導機制提供了新的理論框架，并推動了對向列相漲落與超導性關系的深入研究，尤其是在FeSe及其他四方鐵基超導體中的應用。Nag, P.K., Scott, K., de Carvalho, V.S. et al. Highly anisotropic superconducting gap near the quantum critical point of FeSe1?xSx. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02683-x
