用晶體中帶狀褶皺的取向調控超導態研究取得進展

　　鐵基超導體中超導電性的起源在經過十幾年的研究后仍沒有定論。多軌道自由度和其它糾纏電子序阻礙了對鐵基超導體配對機理的理解。作為一種微擾手段，外加壓力可破除超導基態的簡并，并能提供非常規超導電性如何與其它序參量相互作用的信息。例如，一種面內電阻各向異性和自旋激發在施加單軸壓的電子摻雜BaFe2As2中被觀測到；對FeSe施加靜水壓，一種磁有序結構能夠演生出來，和高溫超導電性共存，同時增強的自旋漲落也被證實。

　　鐵基超導體LiFeAs的相圖簡單，不被其它電子序如磁有序或向列序所干擾，是研究超導電性隨壓力演化的理想平臺。在靜水壓下，輸運實驗揭示LiFeAs超導轉變溫度Tc隨壓力增大而線性減小，且未觀測到磁有序或向列序的出現。然而，當施加單軸壓在Fe-Fe方向時，穩定的近晶相出現且抑制超導電性。相比于靜水壓，方向依賴的應力在LiFeAs中能觸發不同的影響。由于LiFeAs布里淵區中存在多費米面結構以及該材料體系中的電子關聯特性，LiFeAs中超導序參量被方向依賴的應力影響錯綜復雜。

　　近期，中國科學院物理研究所高鴻鈞帶領的研究團隊利用極低溫掃描隧道顯微鏡系統，研究了LiFeAs表面兩類帶狀褶皺結構及其方向依賴對超導電性的影響。他們首先在LiFeAs表面觀測到兩類帶狀褶皺結構，第一類沿著[110]方向（即Fe-Fe方向），第二類沿著[100]方向（即Fe-As方向）。dI/dV單譜顯示，與無褶皺區域的超導能隙相比，第一類褶皺能增大超導能隙而第二類褶皺抑制超導能隙（圖1）。dI/dV線譜顯示，增大或減小超導能隙的效應從褶皺的一個邊緣持續到另一個邊緣，且沿著褶皺方向保持空間均勻性（圖2）。變溫的dI/dV譜表明，第一類褶皺增大超導轉變溫度Tc而第二類褶皺處Tc幾乎不變（圖3）。相比于無褶皺處磁通渦旋的C4對稱性，褶皺處渦旋表現出C2對稱性，說明褶皺處局域單軸應力的存在。而對不同取向的帶狀褶皺進行統計顯示，在一個特定的方向，褶皺上超導能隙大小存在一個跳變（圖4），對應著從第一類褶皺到第二類褶皺的轉變。

　　結合其它的實驗證據，研究發現褶皺的局域單軸應力能改變能帶結構，且不同類褶皺改變的方式不同：第一類褶皺使dxz能帶移動到費米面之上，增加了態密度進而增強超導電性；第二類褶皺使dyz和dxz都移動到費米面之下，只留下dxy穿過費米面，故只能觀測到dxy的小能隙（圖4）。能帶的移動導致可能的Lifshitz轉變，進而影響超導電性。

　　該研究首次在LiFeAs體系中報道了超導增強的現象，說明不同方向的局域單軸應力對LiFeAs的非傳統超導電性有強烈影響。

　　相關成果以Two distinct superconducting states controlled by orientations of local wrinkles in LiFeAs為題，于11月2日發表在Nature Communications上。研究得到科技部、國家自然科學基金委、中科院的支持。

　　論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26708-8

圖1.LiFeAs表面應力誘導的褶皺

圖2.第一類和第二類褶皺上的超導能隙

圖3.褶皺上超導能隙的溫度依賴

圖4.單軸應力誘導的能帶移動