發布時間：2021年9月14日
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鐵基高溫超導體的超導電性是非常規超導機理研究的重要組成部分，精細的電子結構和超導能隙結構是理解鐵基超導體超導機理的前提和基礎。然而，即使對于被最早和最廣泛研究的最佳摻雜鐵基超導體(Ba0.6K0.4)Fe2As2，其電子結構和超導能隙結構仍然存在諸多爭議，包括超導態下布里淵區中心(Γ點)附近平帶的起源，布里淵區角落(M點)附近的能帶和費米面的拓撲結構，以及Γ點和M點附近精確的超導能隙結構等。這些問題的深入研究，對于厘清爭議和理解鐵基超導體的超導機理具有重要的意義。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室周興江研究組的博士生蔡永青、黃建偉以及趙林副研究員等，利用新一代基于飛行時間分析器的真空紫外激光角分辨光電子能譜的超高分辨率和同時探測二維動量空間的獨特優勢，結合氦燈光源的光電子能譜，對高質量最佳摻雜(Ba0.6K0.4)Fe2As2超導體進行了全面系統的電子結構和超導能隙的研究，揭示了其本征的電子結構和超導能隙結構。
最佳摻雜(Ba0.6K0.4)Fe2As2 布里淵區中心Γ點附近，在超導態會出現一個“平帶”結構，長期以來對其起源一直存在著完全不同的理解（可能存在的四種解釋如圖1所示）。利用激光角分辨光電子能譜，對新鮮解理的樣品和退化的樣品能帶結構之間的比較表明，退化的樣品中超導相干峰被強烈壓制，但平帶結構基本保持不變，因而會更加明顯地顯現出來（圖2）。對M點附近的能帶仔細測量發現，在超導溫度以上相干性很差的能帶，在超導態形成了具有很強超導相干峰的能帶（圖3）。在超導態M點形成的能帶， 與在Γ點附近發現的“平帶”結構具有很好的對應關系（圖4）。 在Γ點和M點觀測到了非常清晰的能帶復制現象，這種能帶復制在正常態和超導態下都可以觀測到，有可能是由表面重構導致（圖5）。
基于以上的結果，他們建立一個新的完整的圖像來理解最佳摻雜(Ba0.6K0.4)Fe2As2的電子結構（圖6）。Γ點附近平帶的起源，是由M點的能帶復制到Γ點以及Γ點附近能帶的超導回彎兩部分共同組成。對能帶結構的準確認識，結合更精細的測量，有助于提取出準確的超導能隙，建立完整的超導能隙圖像。如圖7所示，在Γ點附近三個能帶展現出三個不同的超導能隙，M點附近的兩個能帶對應的超導能隙約為5.5meV，遠小于之前所有ARPES的測量結果。
該工作直接觀測到了超導態下和正常態下在Γ點和M點能帶的復制現象，確定了超導態下Γ點附近平帶的起源，在Γ點和M點建立了新的超導能隙結構。這些結果澄清并解決了關于最佳摻雜(Ba0.6K0.4)Fe2As2的電子結構和超導能隙的一系列爭議，為檢驗并建立理論來理解鐵基超導體的超導機理提供了關鍵的信息。
相關研究結果發表在近期的Science Bulletin上，Yongqing Cai et al.， Genuine electronic structure and superconducting gap structure in (Ba0.6K0.4)Fe2As2 Superconductor. Science Bulletin 66(18) （2021）1839-1848。上述研究工作獲得了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院等的資助。
文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.015
http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/