合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理系中科院强耦合量子材料物理实验室陈仙辉、吴涛等人组成的超导研究团队近日在铁基高温超导体研究中取得重要进展。该研究团队在有机离子插层的二维层状铁硒基高温超导体中揭示了由二维超导涨落导致的“赝能隙”现象，为研究铁基超导材料中的高温超导机理提供了关键性的实验证据。相关研究成果于8月28日以“Preformed Cooper Pairs in Layered FeSe-Based Superconductors”为题在线发表于物理学知名杂志《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 097003 (2020)]。
超导电性包含了两种奇妙的量子物理现象：电子配对以及电子对的长程相位相干。在传统的低温超导体中，电子配对与相位相干在超导转变温度同时发生，超导转变温度的高低可以由电子配对形成的能隙大小来决定。然而，在高温铜氧化合物超导体中，特别是对于欠掺杂区的超导电性，其电子配对温度显著高于相位相干温度，因而超导转变温度的高低最终是由相位相干来决定的。由于电子的预配对，在超导温度以上会形成由超导涨落所导致的“赝能隙”现象。在实验上，特别是在欠掺杂区，在远高于超导转变温度以上的温区（甚至高于室温）人们很早就已经发现了“赝能隙”现象。但是，在高温铜氧化合物超导体中，关于“赝能隙”的起源却有着非常大的争议，主要原因是铜氧化物超导体中除超导态以外还存在其它丰富的电子有序态，这些有序态也有可能会产生“赝能隙”现象。理解高温超导体中的“赝能隙”现象被认为是解决高温超导机理的关键之一。2008年，铁基高温超导材料家族的发现，为研究高温超导机理带来了一个新的契机。那么，在铁基高温超导体中是否也有“赝能隙”现象以及其来源又是什么？回答这一问题对于建立一个统一的高温超导机理具有重要的意义。
在之前的铁基超导体研究中，已经有过一些与超导涨落相关的“赝能隙”现象的实验探索工作，但是这些前期的实验结果要么是认为没有“赝能隙”现象，要么是观察到的“赝能隙”现象与超导涨落没有关联或者是在一个相同的材料体系中存在相互矛盾的实验结果，因而与超导涨落相关的“赝能隙”现象到目前为止还没有获得确定性的实验证据。近年来，陈仙辉教授团队始终致力于新型高温铁基超导材料的探索，并利用电化学插层技术实现了一系列具有高超导转变温度的二维铁硒基高温超导材料（超导转变温度达到40K以上）以及其它二维功能材料 （J. Am. Chem. Soc. 141, 17166 (2019); New J. Phys. 20, 123007 (2018); Phys. Rev. Mat. 2, 074801 (2018);New J. Phys. 20, 023014 (2018)）。通过有机离子的电化学插层，这些新型的铁硒基高温超导体具有了非常强的二维性质，其电导率的面内外各向异性可以达到104数量级，这与高温铜氧化合物超导体的二维性质非常相似。之前关于高温铜氧化合物超导体的研究已经表明（Nature 575, 156–163 (2019)），在这种具有强的各向异性的二维层状高温超导材料中，其块体性质与单层性质几乎一致，表明其块体材料已经具有了准二维的物理性质，其中就包括二维超导涨落。因此，这类二维层状铁硒基高温超导体成为了探索与超导涨落相关的“赝能隙”现象的绝佳材料体系。
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