铁硫族超导体的强健边缘超导态

来源：中国科学杂志社

铁的硫族化合物Fe(Se,Te)是铁基超导体家族的重要一支。其简单的晶体结构下丰富的磁结构，以及强自旋轨道耦合等带来的新奇超导特性都是这个体系的魅力所在。与大多数超导体一样，磁性掺杂一直被认为会削弱Fe(Se,Te)的超导性。以复旦大学王熠华教授为首的多个课题组合作，利用扫描超导量子干涉仪(sSQUID)对含有过量磁性铁杂质的Fe1+y(Se,Te)薄片材料进行了磁化率及电流成像后发现，虽然铁杂质的存在大大压制了块材的超导性，材料的边缘却显现出强健的超导性。这个发现对于进一步澄清铁硫族超导体的配对机制及其作为拓扑量子计算载体的潜能都具有积极意义。该研究工作已在Science Bulletin在线发表。

2008年，科学家在传统上一直被超导研究者避之唯恐不及的铁化合物材料中发现了超导性，引发了超导研究领域的一次革命性的观念改变。铁基超导的微观机制仍在探索中，近期的许多理论与实验研究揭示了某些铁基超导体系还可能存在拓扑超导性。仅在Fe(Se,Te)化合物中就有工作报道过超导拓扑表面态、磁通中心与Fe杂质上束缚的马约拉纳零能量模式等，预示了其在拓扑量子计算等领域的潜在应用价值。

磁性掺杂对于常规的超导性有很强的抑制作用。研究发现在Fe(Se,Te)中过量的Fe确实会扰乱体系的自旋关联，影响配对电子的相位相干，并大幅减弱体材料的超流密度。另一方面，Fe(Se,Te)本征的磁结构也为杂质自旋的作用带来了复杂的关联效应，因此铁杂质对于可能存在的拓扑超导边界态的影响尚不清楚。而研究这个问题需要能在空间上分辨超导电磁性质的高灵敏度显微技术。

姜达等人利用兼具高空间分辨率和超灵敏磁性响应的sSQUID对Fe过量掺杂的Fe1+y(Se,Te）单晶样品和器件进行了细致的扫描成像来回答以上问题。他们发现由抗磁强度反映的超流密度有明显的空间分布（图1），样品边缘的信号显著强于块材，且边缘超导性对应的转变温度Tc几乎与无杂质Fe的情况相同。相应地，sSQUID的磁通信号反映出的电流分布也局域在边缘上（图2），随温度的变化与抗磁性有对应关系。综合多种分析手段，样品在相关尺度上被证实为均匀同质，排除了非均匀性的影响。考虑到杂质Fe易于被氧化析出，实验者对在无氧环境下解离的样品进行了石墨烯或氮化硼薄膜的覆盖保护，确保了实验观测到的边缘性质是样品本征的。这种在热与磁性干扰下保持强健的本征性质暗示这一边缘超导很可能有拓扑性的根源，这也与此前相关的实验结论相符。

图1 超导抗磁性在Fe1.11Se0.40Te0.60样品的空间分布。(a) 光学图像；(b) 抗磁强度，其中橙色/蓝色示意扫描中sSQUID的探测/励磁线圈方向；(c)磁性强度；(d-g) 抗磁强度随温度的变化；(h, i) 不同温度下抗磁强度沿d图中箭头所示的切线分布；(j) 由抗磁强度换算的超流密度在d图中标明的两点（边缘上point 1和块材中point 2）随温度的变化。可见边缘超流密度显著强于块材，其随温度的变化也完全异于块材，且具有更高的Tc.

图2 超导电流在Fe1.07Se0.47Te0.53器件的分布。(a) 光学图像；(b, c) 不同温度下的抗磁性，其中电极覆盖区域（黄线突出边界）较强的信号来自制备过程的影响而非样品本征性质，(b)中插图显示了用来拟合超流密度的探测曲线；(d-i) 在电极8-4之间通以0.1 mA电流的分布随温度变化：在12 K以下电流一直由下边缘主导，而从13 K起上方的裂痕（见光学图）开始有明显分流作用，至15~16 K电流的弥散分布表明样品转变为正常相。 

为理解Fe杂质在边缘与体内的不同影响，文中利用Heisenberg模型计算了杂质Fe的存在对正常Fe晶格的自旋关联的干扰，发现块材中的自旋关联明显减弱，而边缘仍保持甚强的反铁磁关联，这种反铁磁关联被普遍认为有助于铁基超导的s波配对。此结果为理解边缘超导乃至铁基超导的微观机制指明了方向。

该工作首次在空间上分辨出含有Fe杂质的Fe(Se,Te)的超流密度分布，证实边缘超导是其本征属性，还利用Heisenberg模型分析了Fe杂质的压制效应在块材与边缘出现明显差别的微观起源，为反铁磁关联作为铁基超导微观机制提供了新的研究线索。这一特别的边缘超导性对于常规热扰动以及铁磁杂质的干扰显示出强健的稳定性，很可能与文献中多次报道的拓扑性质相关。此项工作为Fe(Se,Te)超导体丰富的性质增加了有趣的一章，有望促进相关的理论与实验研究，并推进Fe(Se,Te)超导体在未来的可能应用。