今日Nature：鐵基超導體中的重大新發現！

【前言】

當電子配對形成Cooper對，然后建立相位相干性以凝聚成宏觀量子態即超流體時，出現超導性。 Cooper配對由配對的結合能Δ_CP控制，相位相干性（或剛度）控制超流體密度，n_SF。對于常規超導體，如鋁或鉛，因為晶格常數遠小于Cooper對的尺寸（通常為數百納米），超流體密度在空間上是均勻的，并且大的超流體密度保證了高相位剛度。在非常規的強相關超導體中，情況與傳統超導體的情況大不相同，原因如下：（i）Cooper對的大小通常較小，大致由相干長度給出; （ii）超流體密度較小; （iii）由于摻雜劑原子或相分離或電荷有序的內在趨勢，存在較高的無序; （iv）超導間隙的變化跡象。盡管取得了很大進展，但我們缺乏對強相關超導體的理論認識。

【成果簡介】

今日，荷蘭萊頓大學的D. Cho1、 K. M. Bastiaans和 D. Chatzopoulos (共同第一作者)在 M. P. Allan教授（通訊作者）的指導下與美國布魯克海文國家實驗室的G. D. Gu合作，在頂級期刊Nature上發表了題為“A strongly inhomogeneous superfluid in an iron-based superconductor”的文章。本研究中作者們使用原子分辨的掃描隧道顯微鏡來揭示鐵基超導體FeTe_0.55Se_0.45中的強不均勻超流體。通過同時測量超導體的形貌和電子特性，我們發現超流體中的這種不均勻性不是由結構紊亂或強大的袋間散射（inter-pocket scattering）引起的，并且與破壞電子對所需的能量變化無關。相反，我們在局部尺度上看到超流體密度與準粒子強度（相干峰的高度）之間存在明顯的空間相關性。而之前在宏觀尺度上已觀察到類似的關系。我們的研究結果使鐵基超導體與氧化銅超導體處于同等的地位。

【圖文導讀】

圖一、約瑟夫森STM的原理

?a，由尖端和樣本組成的約瑟夫森結的示意圖。 b，尖端和樣品之間的準粒子隧穿的示意能量圖。實線黑線表示作為能量函數的狀態密度（橫軸）（縱軸）;填充（空）狀態用藍色（紅色）表示;虛線表示費米能級EF。當電壓偏置VB大于（Δ_CP，s +Δ_CP，t）/ e時，準粒子可以隧道（e是電子電荷）。 c，準粒子隧穿的電流 - 電壓特性曲線（藍色）。虛線表示零值。箭頭表示2（Δ_CP，s +Δ_CP，t）/ e。 d，約瑟夫森結的等效電路圖;復阻抗Z（ω）代表電磁環境。 e，約瑟夫森結中非彈性Cooper對隧穿的示意圖。 Cooper對通過發射hν= 2eVB（波浪箭頭; h，普朗克常數;ν=ω/2π，頻率）的能量與環境相互作用，然后穿過結點。 f，使用IZ和P（E）模型獲得的Cooper對隧道效應的模擬電流 - 電壓曲線。兩條曲線在與I_C²成比例的有限偏壓下呈現最大電流I_max（1C，臨界超電流）。

圖二、約瑟夫森隧道譜在FeTe_0.55Se_0.45上

?a，原子分辨的地形圖像（設置電壓，V_set = -10 mV;設置電流，I_set = 5 nA）。 更亮（更暗）的原子對應于Te（Se）。 b，在紅十字位置獲得的微分電導譜乘以正常狀態電阻。 黑色箭頭表示相干峰。 可以在較小的偏壓下觀察到約瑟夫森電流。 設置條件：V_set = -10 mV; I_set = 30 nA; 鎖定調制，V_mod =20μV峰峰值。 C。 不同正常狀態電阻的電流 - 電壓特性曲線。 以V_set = -10mV獲得所有光譜。 d，差分電導譜（使用與c中相同的設置條件和V_mod =20μV峰峰值的鎖定調制獲得）乘以相應的正態電阻，得到無量綱數量。

圖三、 可視化FeTe0.55Se0.45中的超流體

?a，25×25nm²的FeTe_0.55Se_0.45的地形圖像（V_set = -6mV，I_set = 0.12nA）。 b，（I_CR_N）²的空間分辨圖，表示文中討論的超流體密度（V_set = -6mV，I_set = 5nA，V_mod =30μV峰 - 峰）。 c，沿b中藍線獲得的一系列微分電導譜乘以EF周圍的正常狀態電阻。 d。 VB = +3.6 mV時的電導圖。具有強準粒子干涉圖案的區域由紅色輪廓標記，紅色輪廓通過使用插圖中所示的濾波器（紅色圓圈）的QPI數據的傅里葉濾波（參見擴展數據圖8）獲得。插入，傅里葉變換;十字架表示布拉格峰位置。 e，對斷開間隙圖，Δ=Δ_CP，t +Δ_CP，s;插圖顯示了典型的光譜。 f，相干峰高圖（QPS），與對斷裂間隙同時提取，如插圖所示。 b-f中的所有地圖都在與用于a中的地形圖的相同視野中獲得，并且使用同時獲取的地形圖在每個點處使圖像彼此對準。 d-f的設置條件是V_set = -6mV，I_set = 0.3nA和V_mod =400μV峰峰值。

圖4 、 （ICRN）2與相干峰高的相關性

a，相干峰高度的分類光譜（V_set = -6mV，I_set = 0.3nA）和零偏差約瑟夫森峰（插圖; V_set = -6mV，I_set = 5nA）。 通過圖3b中所示的超流體密度圖的分級對光譜進行分類。 顏色對應于圖3f中顏色條指示的準粒子強度。 b，如文中討論的，從（I_CR_N）²提取的相干峰高度和超流體密度之間的相關性，產生0.58的相關因子（虛線）。 插圖顯示了超流體密度與QPS，QPI，Δ_CP和地形高度之間的相關因子的距離依賴性。

【小結】

我們的研究結果表明，在非常規超導體中存在強非均勻超流體，排除了化學無序和帶間散射作為不均勻性的原因，并揭示了準粒子特征與超流體密度之間的關系。我們檢測并直接成像強烈不均勻的超流體，同時用原子分辨率測量同一視場中的電子和形貌屬性。我們發現超流體的不均勻性不是由Se / Te合金化引起的結構紊亂（通過袋間散射或通過對斷裂能隙的變化引起的）。相反，超流體密度與準粒子峰的銳度呈顯著正相關：在Cooper配對的長度范圍內，局部相干準粒子似乎需要超導性。使用此處描述的技術研究其他材料中的超流體密度將是有益的，包括超導體 - 絕緣體轉變，無序常規超導體或扭曲雙層石墨烯。最后，我們預計未來的溫度依賴性超流體密度和間隙測量將闡明局部和整體機制限制T_C在非常規超導體中的作用。

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

本文由踏浪供稿。