铁硒基超导研究新进展:高质量(Li,Fe)OHFeSe单晶薄膜

单晶薄膜形态的高温超导材料对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.多带的铁基高温超导体往往呈现丰富的物理现象,并具有较高的超导临界参数.特别是近年发现的插层（Li,Fe）OHFeSe超导体,无论对高温超导机理还是应用研究而言,都日益受到重视,已成为铁基家族中重要的典型材料.但是,该化合物含有OH键,加热易分解.因此,现有的常规高温成膜技术均不适用于生长该薄膜材料.为解决这一生长难题,我们最近发明了基体辅助水热外延生长法,实现了超导薄膜制备技术上的突破.本文简要介绍用此软化学成膜技术首次成功制备出（Li,Fe）OHFeSe单晶薄膜.该薄膜材料具有优良的结晶质量和较高的超导临界参数,特别是其高的临界电流密度和上临界场对应用开发有实际价值.因此,（Li,Fe）OHFeSe超导单晶薄膜的成功合成,为机理研究和应用开发分别提供了重要的实验载体和备选材料.另外,该薄膜技术也有望应用于其他功能材料的探索与合成,尤其是对常规手段难以获取的材料更具重大价值.     

FeSe基超导体的探索与物性研究

自从2008年铁基超导体发现以来,人们探索并发现了一系列的铁基高温超导材料,其中FeSe基超导体因其具有的独特性质而引起了人们的广泛关注.本文主要介绍了两类新的铁基超导体,即水热合成法合成的（Li,Fe）OHFeSe及电化学插层方法合成的（CTA）_xFeSe的晶体结构及超导性质;对近年发展起来的利用电双层场效应晶体管技术以及固态离子导体调控FeSe的电子态性质的研究做了简要介绍.     

高质量FeSe单晶薄膜的制备及相关性能表征

在铁基超导体中,FeSe具有最简单的晶体结构和化学组成,而且其超导转变温度具有较大的调控空间,因此适合作为超导机理研究和应用的载体.高质量样品的研制是物性研究和器件应用的前提,本文系统地研究了利用激光脉冲沉积技术制备FeSe薄膜的工艺条件,在多种衬底上成功地制备出高质量的β-FeSe薄膜,并首次实现了超导临界转变温度从小于2 K到14 K的连续调控,这为FeSe超导机理研究提供了样品支持.为探究FeSe薄膜超导电性变化的起因,从β-FeSe超导电性与晶格常数c正相关出发,基于简单的费米面填充假设,第一性原理计算可以很好地解释晶格常数c的变化规律,但该假设并不能完全符合角分辨光电子能谱实验给出的电子结构演变过程.因此β-FeSe薄膜的超导电性、晶格结构和电子结构三者之间的关系还有待澄清,该问题的解决将为FeSe超导机理研究提供重要的线索,而上述系列高质量的β-FeSe薄膜样品恰好能为该问题的研究提供理想的载体.本文根据实验和已有的相关研究结果,详细介绍了FeSe薄膜的脉冲激光沉积制备及其优化,以期为后续的薄膜研究应用提供参考.     

新型铁基超导体材料的研究进展

文章主要介绍了碱金属插层法合成新型铁基超导体的研究进展.通过采用碱金属K对FeSe层状材料插层的方法,得到了一种新型的铁基超导体K0.8Fe1.7Se2,并对该材料的晶体结构与物性进行了研究.结果表明,该化合物的超导转变温度达到30K,这是FeSe体系在常压下的最高超导转变温度.同时,观察到该体系中存在转变温度为43K的超导相,但未得到纯相.通过磁性元素Co的掺杂研究,进一步加深了对K0.8Fe1.7Se2体系超导演化规律的认识.该超导体的发现对深入认识铁基超导体的超导机理,探索具有更高超导转变温度的铁基超导体具有重要意义.     

新型FeSe基超导材料研究进展

FeSe基超导体作为铁基超导材料家族的重要组成部分,已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域,对这类超导材料的探索和制备是研究其物理性质的基础.目前,对于FeSe基超导材料的探索主要集中于插层和外延单层FeSe薄膜.其中,通过插层方法获得的FeSe基超导材料具有独特的性质,且种类众多.本文介绍了近年来发现的一系列FeSe基高温超导材料,涵盖K_xFe₂Se₂,A_xNH₃FeSe,LiOHFeSe和有机分子插层FeSe等,并针对各种材料,简述了其性质及影响.     

铁硒基超导材料实用化研究进展

由于铁基超导体含有铁磁性元素以及具有极高的上临界场等特性, 引发了科学家对其理论和实用化研究的热潮. 铁基超导体主要分为四个体系: “1111”体系、 “122”体系、 “111 ”体系和“11 ”体系. 其中, “11 ”体系中的 FeSe基超导材料由于结构简单、 单晶制备容易以及不含有毒元素等优势, 使其成为了研究铁基超导材料的热门体系, 同时也成为了新型实用化超导材料的研究热点. 本文在简要介绍铁基超导材料和 FeSe 基超导材料的基础上, 重点介绍了实用化 FeSe 基超导材料多晶块体、 线带材以及薄膜在制备工艺以及性能等方面的研究进展, 最后对其相关领域今后的发展做出展望     

单层FeSe薄膜/氧化物界面高温超导

单层FeSe/SrTiO₃界面增强超导的发现为理解高温超导机理提供了一个新的途径,也为实现新的高温超导体开拓了新思路.本文通过在SrTiO₃（001）表面高温沉积Mg进而沉积单层FeSe薄膜,制备出了FeSe/MgO双层/SrTiO₃异质结.利用扫描隧道显微镜研究了异质结的电学及超导特性,观测到约14–15 meV的超导能隙,比体相FeSe超导能隙值增大了5–6倍,与K掺杂双层FeSe/SrTiO₃的超导能隙值相当.这一结果可理解为能带弯曲造成的界面电荷转移和界面处电声耦合共同作用导致的超导增强.FeSe/MgO界面是继FeSe/TiO₂之后的一个新界面超导体系,为研究界面高温超导机理提供了新载体.     

FeSe/SrTiO3高温超导体中的电子条纹相

单层FeSe/SrTiO₃中的界面超导增强是近年来高温超导领域的重要发现.该体系中SrTiO₃衬底对FeSe的超导增强机制已被广泛研究,其调控作用主要表现为两个方面:电荷掺杂和界面电声耦合.然而,关于FeSe薄膜本身的电子特性研究还不够充分.本文介绍该体系超导增强机制的新进展:FeSe薄膜中的电子条纹相及其与超导的关联.通过扫描隧道显微镜结合分子束外延生长技术,对不同厚度的FeSe薄膜进行了系统研究.我们发现FeSe薄膜中电子倾向于排成条纹状结构,并观测到该条纹相随层厚变化显现出从短程到长程的演化.条纹相是一种电子液晶态,它源于薄层FeSe中被增强的电子关联作用.表面电子掺杂一方面会减弱FeSe薄膜中的电子关联作用,逐渐抑制条纹相;另一方面会诱导超导相变,而剩余的条纹相涨落会对超导电性带来额外增强.我们的结果加深了对低维界面超导体系的认识,也揭示了FeSe薄膜本征的特异性,完善了对FeSe/SrTiO₃超导增强机制的理解.     

超导各向异性的研究现状简述

自从观察到临界电流随磁场偏角发生变化的现象以来（临界电流的各向异性）,如何在提升临界电流的同时降低各向异性成为了获得高性能超导体的主要考量。本文将以临界电流各向异性的起源——超导各向异性为核心,简述超导各向异性的实验现象、理论描述,及其与超导电动力学本构、磁弹耦合效应之间的关系。以此简述来突出超导各向异性在超导体物理和应用方面的重要性。     

高质量镍基超晶格薄膜的制备及表征

自发现镍基超导薄膜之后, 镍基材料体系已成为当前人们的研究热点. 而在相关报道中, 普遍认为高质量的镍基超导前驱体薄膜的制备对其拓扑还原后超导电性的实现具有重要影响. 前期研究表明高质量的前驱体薄膜只生长在SrTiO3 衬底附近, 这与我们的实验结果一致. 为了可控制备高质量的镍基超导前驱体薄膜, 本文利用脉冲激光沉积(PLD) 技术在SrTiO3 (001) 衬底上生长不同厚度的可层选择性还原的[SrTiO3 ]m/[ Nd0 .8Sr0 .2 NiO3 ]n[(STO)m/(NSNO)n ]超晶格薄膜. 采用反射高能电子衍射仪(RHEED) 及透射电子显微镜(STEM) 和 X 射线衍射(XRD) 技术对超晶格薄膜的结构进行原位检测及结构表征, 然后利用综合物性测量系统(PPMS) 测试薄膜的电磁输运性质. 结果表明, 超晶格薄膜的结构质量良好, 超晶格薄膜和高质量单层前驱体薄膜表现出类似的电阻和磁阻现象. 该研究为后续镍基超导薄膜的可重复制备提供了重要的参考.     

Synthesis of large FeSe superconductor crystals via ion release/introduction and property characterization

Large superconducting Fe Se crystals of(001) orientation have been prepared via a hydrothermal ion release/introduction route for the first time. The hydrothermally derived Fe Se crystals are up to 10 mm×5 mm×0.3 mm in dimension. The pure tetragonal FeSe phase has been confirmed by x-ray diffraction(XRD) and the composition determined by both inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy(ICP-AES) and energy dispersive x-ray spectroscopy(EDX). The superconducting transition of the Fe Se samples has been characterized by magnetic and transport measurements. The zero-temperature upper critical field H_(c2) is calculated to be 13.2–16.7 T from a two-band model. The normal-state cooperative paramagnetism is found to be predominated by strong spin frustrations below the characteristic temperature T_(sn), where the Ising spin nematicity has been discerned in the FeSe superconductor crystals as reported elsewhere.     

插层FeSe高温超导体的高压研究进展

通过对FeSe进行化学插层可以将其超导转变温度（T_c）从约8 K提高到40 K以上,实现高温超导电性.最近,我们对两种插层FeSe高温超导材料（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se和Li_0.36（NH₃）_yFe₂Se₂开展了高压调控研究,发现压力会首先抑制高温超导相（称为SC-I相）,然后在临界压力P_c以上诱导出第二个高温超导相（称为SC-Ⅱ相）,呈现出双拱形T-P超导相图.这两个体系的P_c分别约为5和2 GPa,两个体系SC-Ⅱ相的最高T_c分别可以达到约52和55 K,比相应SC-I相的初始T_c提高了10 K.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的正常态电输运性质分析表明,SC-I和SC-Ⅱ相的正常态分别具有费米液体和非费米液体行为,意味着这两个超导相可能存在显著差异.此外,还发现这两个体系的SC-Ⅱ相的T_c与霍尔系数倒数1/R_H（∝载流子浓度n_e）具有很好的线性依赖关系.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的高压X射线衍射测量排除了其在10 GPa以内发生结构相变的可能,因此P_c以上SC-Ⅱ相的出现和载流子浓度的增加很可能起源于压力导致的费米面重构.     

Revealing the A_(1g)-type strain effect on superconductivity and nematicity in FeSe thin flake

The driving mechanism of nematicity and its twist with superconductivity in iron-based superconductors are still under debate.Recently,a dominant B_(1 g)-type strain effect on superconductivity is observed in underdoped iron-pnictides superconductors Ba(Fe_(1-x)Co_x)_2 As_2,suggesting a strong interplay between nematicity and superconductivity.Since the long-range spin order is absent in FeSe superconductor,whether a similar strain effect could be also observed or not is an interesting question.Here,by utilizing a flexible film as substrate,we successfully achieve a wide-range-strain tuning of FeSe thin flake,in which both the tensile and compressive strain could reach up to ～0.7%,and systematically study the strain effect on both superconducting and nematic transition(T_c and T_s) in the FeSe thin flake.Our results reveal a predominant A_(1 g)-type strain effect on T_c.Meanwhile,T_s exhibits a monotonic anti-correlation with T_c and the maximum T_c reaches to 12 K when T_s is strongly suppressed under the maximum compressive strain.Finally,in comparison with the results in the underdoped Ba(Fe_(1-x)Co_x)_2 As_2,the absence of B_(1 g)-type strain effect in FeSe further supports the role of stripe-type spin fluctuations on superconductivity.In addition,our work also supports that the orbital degree of freedom plays a key role to drive the nematic transition in FeSe.     

INFLUENCE OF SPIN AND CHARGE FLUCTUATIONS ON THE HIGH-Tc SUPERCONDUCTIVITY

In the framework of the weak coupling theory of superconductivity, we have proved that spin and charge fluctuations in the high-T_c superconductors can pro-duce respectively, pair-breaking and pair-forming effects on the superconductivity resulting from the "generalized BCS mechanism". With the coupling constant for spin fluctuations larger than that for charge fluctuations, they combine to produce a temperature-dependent effective pair-breaking effect, which makes T_c decrease more rapidly than Δ(0), the superconducting gap at T=0, and therefore, enhances the ratio 2Δ(0)/T_c. This provides a reasonable physical interpretation for the relevant experimental results.     

Effect of Mn substitution on superconductivity in iron selenide(Li,Fe)OHFeSe single crystals

We synthesize a series of Mn substituted(Li, Fe)OHFeSe superconductor single crystals via a modified ion-exchange method, with the Mn concentration z(the atomic ratio of Mn:Se) ranging from 0 to 0.07. The distribution homogeneity of the Mn element incorporated into the lattice of(Li, Fe)OHFeSe is checked by combined measurements of high-angleannular-dark-field(HAADF) imaging and electron energy-loss spectroscopy(EELS). Interestingly, we find that the superconducting transition temperature T_c and unit cell parameter c of the Mn-doped(Li, Fe)OHFeSe samples display similar V-shaped evolutions with the increasing dopant concentration z. We propose that, with increasing doping level, the Mn dopant first occupies the tetrahedral sites in the(Li, Fe)OH layers before starting to substitute the Fe element in the superconducting Fe Se layers, which accounts for the V-shaped change in cell parameter c. The observed positive correlation between the T_c and lattice parameter c, regardless of the Mn doping level z, indicates that a larger interlayer separation, or a weaker interlayer coupling, is essential for the high-T_c superconductivity in(Li, Fe)OHFeSe. This agrees with our previous observations on powder, single crystal, and film samples of(Li, Fe)OHFeSe superconductors.     

电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模

作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态,Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点.理论预言,Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中.但实际超导体磁通中还可能存在其他低能束缚态或杂质态,这给Majorana零能模的辨别和具体应用带来了困难.目前实验上寻找合适的拓扑超导体系、分辨出清晰的Majorana零能模仍然是十分迫切的.本文主要介绍最近利用高能量分辨的扫描隧道显微镜,对电子掺杂铁硒类超导体(Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3磁通态进行的研究.实验上在前者的自由磁通中观测到清晰的零能模,并进一步测量到Majorana零能模的重要特征—量子化电导.而在后者磁通中只发现常规Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM)束缚态,反映出s波对称性的特征.这系列实验既为Majorana零能模物性的进一步研究提供了合适平台,也为澄清铁基超导体中拓扑超导电性的来源提供了线索.     

Essence of Pseudogap and Oscillation in High-Temperature Cuprate Superconductor Junction of Pseudogap State

This paper gives methods to calculate the pairing temperature T*,at which a pseudogap is opened,and the superconducting temperature Tc,at which superconductivity appears,in the high-Tc cuprates,and demonstrates directly that at Tc ＜ T ＜ T* the pseudogap is the gap of Cooper pair without long-range phase coherence,and at T ＜ Tc there is long-range phase coherence between Cooper pairs.Based on the above clear physical picture on the pseudogap state and our mechanism for the ac Josephson effect,this paper proposes that there should be a novel oscillatory current in P-I-P junction,induced by a constant bias on the junction.Here,P represents the high-Tc curates in the pseudogap state,where Cooper pairs do not have long-range phase coherence,and I represents the thin insulating barrier.This paper conjectures that there is a possible high-temperature superconductivity in the heavily underdoped high-Tc cuprates.