自2008年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，作為第二大類(lèi)高溫超導(dǎo)材料的鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)理一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大前沿問(wèn)題。確定超導(dǎo)能隙對(duì)稱(chēng)性和導(dǎo)致電子配對(duì)的媒介是解決超導(dǎo)機(jī)理的兩個(gè)先決條件。鐵基超導(dǎo)體是一個(gè)典型的多帶體系，其配對(duì)對(duì)稱(chēng)性和費(fèi)米面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。大多數(shù)鐵基超導(dǎo)體具有布里淵區(qū)中心（Γ點(diǎn)）的空穴型費(fèi)米面和布里淵區(qū)角落（M點(diǎn)）的電子型費(fèi)米面，其配對(duì)對(duì)稱(chēng)性普遍被認(rèn)為是s± (Γ-M)，即在Γ點(diǎn)空穴型費(fèi)米面和M點(diǎn)電子型費(fèi)米面上超導(dǎo)能隙符號(hào)相反的s波。在電子摻雜的只具有電子型費(fèi)米面的鐵基超導(dǎo)體中，例如單層FeSe/SrTiO₃超導(dǎo)薄膜的配對(duì)對(duì)稱(chēng)性尚有爭(zhēng)議，可能是s±波或d波。而在空穴摻雜的鐵基超導(dǎo)體中，極度過(guò)摻區(qū)域會(huì)得到只具有空穴型費(fèi)米面的情形，其配對(duì)對(duì)稱(chēng)性引起了廣泛討論，提出的可能性包括s±(Γ-Γ)，即在Γ點(diǎn)兩個(gè)費(fèi)米面上配對(duì)符號(hào)相反的s波或者d波等。厘清超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱(chēng)性和不同費(fèi)米面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對(duì)理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理至關(guān)重要。

KFe₂As₂是典型的只有空穴型費(fèi)米面的鐵基超導(dǎo)體，處于（Ba_1-xK_xFe₂As₂）體系的摻雜末端（x=1），具有約3.5K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。有實(shí)驗(yàn)表明在（Ba_1-xK_x）Fe₂As₂摻雜x=0.8附近有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性破缺，暗示其左右兩邊發(fā)生了配對(duì)對(duì)稱(chēng)性的改變；其低溫的線(xiàn)性比熱系數(shù)（索末菲爾德系數(shù)）很大，引起了對(duì)其重費(fèi)米子行為起源的討論。作為具有對(duì)電子動(dòng)量分辨本領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)方法，角分辨光電子能譜（ARPES）是研究這些問(wèn)題最直接的實(shí)驗(yàn)手段。然而，KFe₂As₂的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度極低，超導(dǎo)能隙極小，常規(guī)ARPES對(duì)其超導(dǎo)態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和能隙結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行測(cè)量。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所許祖彥團(tuán)隊(duì)、理論物理研究所吳賢新等合作，利用自主研制的大動(dòng)量極低溫深紫外激光角分辨光電子能譜儀，克服了KFe₂As₂超導(dǎo)態(tài)電子結(jié)構(gòu)測(cè)量需求的極低溫和超高分辨率的難題。通過(guò)對(duì)KFe₂As₂的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙進(jìn)行研究，該工作確定了KFe₂As₂的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙對(duì)稱(chēng)性，為鐵基超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)理提供了重要信息。

基于自行生長(zhǎng)的具有3.7K轉(zhuǎn)變溫度的高質(zhì)量KFe₂As₂單晶，深紫外激光ARPES測(cè)量了其精細(xì)的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)。費(fèi)米面結(jié)構(gòu)顯示為Γ點(diǎn)附近α、β和γ三個(gè)空穴型費(fèi)米面，以及圍繞M點(diǎn)的四個(gè)小空穴型費(fèi)米面。細(xì)節(jié)特征顯示，β費(fèi)米面發(fā)生了劈裂，進(jìn)一步研究表明其中一支來(lái)源于表面態(tài)。圍繞Γ點(diǎn)，研究人員還觀(guān)察到四個(gè)小空穴型費(fèi)米面，這是由于樣品解理面存在√2x2表面重構(gòu)，導(dǎo)致Γ點(diǎn)和M點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)相互折疊，這四個(gè)小空穴型費(fèi)米面實(shí)際上來(lái)源于M點(diǎn)附近的費(fèi)米面折疊到了Γ點(diǎn)附近。這個(gè)特性使得深紫外激光ARPES不僅能測(cè)量到Γ點(diǎn)附近，還能測(cè)量M點(diǎn)附近的電子結(jié)構(gòu)，提供了全面研究KFe₂As₂費(fèi)米面和超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。

該研究揭示了超導(dǎo)能隙在不同溫度下的打開(kāi)與關(guān)閉，以及低溫下超導(dǎo)能隙的費(fèi)米面依賴(lài)行為；詳細(xì)分析了KFe₂As₂中的ε能帶，發(fā)現(xiàn)其正常態(tài)是一個(gè)很平的能帶，與KFe₂As₂的重費(fèi)米子行為有關(guān)。進(jìn)一步計(jì)算表明，KFe₂As₂比熱的索末菲爾德系數(shù)有接近一半來(lái)源于ε能帶，說(shuō)明其對(duì)重費(fèi)米子行為起重要作用。

基于低溫下完整費(fèi)米面的獲取，該研究提取了所有費(fèi)米面的能隙大小隨著動(dòng)量的分布，并對(duì)其能隙對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明，KFe₂As₂的超導(dǎo)能隙對(duì)稱(chēng)性為s± (Γ-M)，即Γ和M點(diǎn)的空穴型費(fèi)米面之間能隙符號(hào)變號(hào)，原因在于：能隙大小分布定性符合s± (Γ-M)的簡(jiǎn)單形式；結(jié)合非彈性中子散射的結(jié)果，Γ點(diǎn)附α/β和M點(diǎn)附ε的嵌套矢量和自旋共振的波矢相符，表明Γ點(diǎn)附近和M點(diǎn)附近的能隙符號(hào)反轉(zhuǎn)；嵌套矢量連接的能隙大小和自旋共振能量的關(guān)系滿(mǎn)足普適規(guī)律；費(fèi)米面上出現(xiàn)很多能隙節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的位置都出現(xiàn)在s± (Γ-M)的簡(jiǎn)單形式給出的節(jié)線(xiàn)附近。這些證據(jù)表明KFe₂As₂的超導(dǎo)能隙對(duì)稱(chēng)性為s± (Γ-M)。

KFe₂As₂的能隙對(duì)稱(chēng)性存在爭(zhēng)議許久，其獨(dú)特的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)也使其研究十分重要。之前研究普遍認(rèn)為其超導(dǎo)能隙對(duì)稱(chēng)性對(duì)應(yīng)s±(Γ-Γ)。這項(xiàng)工作明確了KFe₂As₂的超導(dǎo)能隙對(duì)稱(chēng)性為s± (Γ-M)，表明只具有空穴費(fèi)米面的KFe₂As₂的能隙對(duì)稱(chēng)性和同時(shí)具有空穴型和電子型費(fèi)米面的體系具有相同的能隙對(duì)稱(chēng)性，統(tǒng)一了這兩類(lèi)不同費(fèi)米面的超導(dǎo)體系，為鐵基超導(dǎo)體的配對(duì)機(jī)理研究提供了重要信息。

近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）等的支持。

論文鏈接

A.?KFe2As2的實(shí)驗(yàn)得到的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)；B.?超導(dǎo)能隙的動(dòng)量依賴(lài)關(guān)系；C.?能隙對(duì)稱(chēng)性的解釋示意圖