【摘 要】
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非常规高温超导机理是凝聚态物理重要的科学问题,其核心在于研究电子配对的成因,而探测超导体的配对对称性以及能隙函数可以反映体系的配对相互作用。对于空穴掺杂的铜氧化物高温超导体,其具有d波超导能隙,即在动量空间每旋转90度,能隙的大小不变但符号发生反转。人们已经积累了许多实验结果证明角度依赖的d波能隙大小,但真正证明其d波相位变化的实验少之甚少。对于铁基高温超导体,s±配对模型是基于弱耦合图像被提出并
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非常规高温超导机理是凝聚态物理重要的科学问题,其核心在于研究电子配对的成因,而探测超导体的配对对称性以及能隙函数可以反映体系的配对相互作用。对于空穴掺杂的铜氧化物高温超导体,其具有d波超导能隙,即在动量空间每旋转90度,能隙的大小不变但符号发生反转。人们已经积累了许多实验结果证明角度依赖的d波能隙大小,但真正证明其d波相位变化的实验少之甚少。对于铁基高温超导体,s±配对模型是基于弱耦合图像被提出并用来描述FeAs族超导体的配对形式,由于其具有近似嵌套的空穴型和电子型费米面,反铁磁涨落驱动的配对导致能隙具有s波对称性而在两类费米面之间存在符号变化。但对于一些电子型掺杂的FeSe基超导体,空穴型费米面的缺失似乎动摇了原有的s±配对模型的理论基础,所以需要我们从实验上仔细甄别这一类体系超导能隙相位的变化情况。此外值得注意的是,铁和铜都是高温超导的基本元素,在2019年,在它们之间的镍元素形成的氧化物Nd1-xSrxNi O2薄膜中测量到9～15 K的超导电性,这一重要的发现为高温超导机理研究带来了新的活力,但相关物理性质的研究较少且超导的配对对称性尚缺乏实验探测,因此非常需要用直接的谱学测量判断其能隙结构。本文利用扫描隧道显微镜研究高温超导体的配对对称性,研究的对象包括铁基超导体(Li1-xFex)OHFeSe单晶,铜氧化物超导体最佳掺杂Bi2Sr2Ca Cu2O8+δ单晶（Bi 2212）和新发现的镍基超导体Nd1-xSrxNi O2薄膜,本文的主要内容包括:（1）证明在Zn掺杂(Li1-xFex)OHFeSe的两套电子型费米面上存在能隙相位的反转。我们成功合成Zn掺杂(Li1-xFex)OHFeSe,利用STM扫描形貌找出掺杂原子的位置。无磁性的Zn原子能够诱导出强烈的能隙内束缚态,本身便证明了该材料存在能隙相位的反转。我们在Zn杂质周围测量不同能量的准粒子相干图案,利用基于杂质束缚态的相位参考技术,成功得出该材料中套叠或杂化的两套电子型费米口袋之间存在能隙相位的反转。这一工作能够统一有无空穴型费米面的铁基超导体s±配对理论。（2）直接演示铜氧化物超导体Bi 2212 d波能隙函数的符号变化。最佳掺杂Bi2212中测量不同能量的准粒子相干图案,通过傅里叶变换获得连接香蕉状等能面端点的特征散射波矢。接下来,我们发展出多杂质相位参考分析方法,清晰地看到d波能隙符号的变化。理论计算结果也支持相关的结论。这一新方法能够应用于其他非常规超导体系,探测能隙相位的变化情况。（3）在新发现的镍基超导体Nd1-xSrxNi O2薄膜中测量出两类不同的超导能隙。利用分子束外延技术和软化学还原方法,我们成功制备出高质量的Nd1-xSrxNi O2超导薄膜。在极低温0.35 K,通过单粒子隧道谱的测量成功证明Nd1-xSrxNi O2薄膜中存在两类超导能隙,一类隧道谱在零能附近呈“V”型,对应d波超导能隙,能隙最大值为3.9 me V;另一类在零能附近呈“U”型,对应完全打开的能隙,能隙值大概为2.4 me V。此外,一些隧道谱反映出两类超导能隙的混合,更加明确地证明了该材料具有两类不同形式的能隙函数。这一结果表明新发现的镍基超导体和铜氧化物超导体之间既有相似之点,又有不同之处,并且对于镍基超导体的研究起到重要的作用。
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