鐵基高溫超導體屬於典型的多軌道體系，Fe的5個3d軌道(dxz ,dyz,dxy,dx2-y2,dz2)上的電子都可能參與低能電子結構的形成和超導電性的產生。這種多軌道特徵導致眾多新的現象和奇異物性，如向列相、軌道有序、軌道選擇莫特轉變等。確定導致超導電性的決定性軌道特徵，以及超導電性與向列相和軌道選擇之間的關係，對理解鐵基超導體的高溫超導電性的起源至關重要。在鐵基超導體中，塊材FeSe超導體具有最簡單的晶體結構，在90K附近存在向列相轉變，低溫下沒有長程磁有序結構，因而成為研究向列相、超導及其相互關係的理想體系。然而，不同實驗手段對FeSe的超導能隙結構和軌道特性的確定一直存在爭議。角分辨光電子能譜技術是測量超導能隙結構和電子態軌道特性的最直接的實驗手段。但塊材FeSe較低的超導轉變溫度 (~8K)對角分辨光電子能譜的精度和樣品溫度提出了極高的要求。
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劉德發博士（現為德國馬普微結構物理研究所博士後），博士生李聰，黃建偉等人，與吳賢新博士（現為德國維爾茨堡大學博士後）、胡江平研究員、向濤院士以及石友國研究員和中國科技大學的陳仙輝院士合作，利用最新一代基於時間飛行能量分析器的激光角分辨光電子能譜儀，系統研究了塊材FeSe中的超導電性和軌道之間的關係，獲得了重要的結果，為理解鐵基超導體的超導機理提供了重要的信息。
研究發現, 在低溫下當FeSe處於向列相時，布里淵區中心只存在一個強烈各向異性的空穴型費米麵（圖1）。這是所有鐵基超導體中觀察到的各向異性最強的費米麵，長軸和短軸的比值達到了3。對該費米麵的超導能隙的精確測量發現，超導能隙同樣存在強烈的各向異性（圖2）。在費米麵的短軸方向超導能隙最大，沿費米麵的長軸方向超導能隙趨於零。這也是所有鐵基超導體中觀察到的各向異性最強的超導能隙結構。這樣的超導能隙對稱性可以由各向異性的s波和d波形式來描述，也可以用簡單的p波形式來描述。
利用不同偏振光對軌道的選擇性，對FeSe能帶的軌道特性研究發現，空穴型的費米麵主要由dxz軌道組成，而dyz軌道則被推到費米能級以下20meV處，與能帶計算相符（圖3）。 這些結果表明，超導能隙是在由dxz軌道形成的費米麵上產生的，而dyz軌道位於費米能級以下，不參與超導電性的形成。進一步研究超導能隙和dxz軌道的關係發現，dxz 軌道的譜重以及有效質量在費米麵上也呈現出各向異性的行為，沿長軸方向最大，在短軸方向最小，和超導能隙表現出反相關的關係（圖4）。
這一研究直接測量了塊材FeSe的超導能隙結構以及費米麵的軌道特性，揭示了FeSe中超導電性、向列相的形成和軌道的對應關係，為理解FeSe超導電性的起源提供了關鍵的信息。相關研究結果發表在近期的Physical Review X上, Defa Liu et al., Orbital Origin of Extremely Anisotropic Superconducting Gap in Nematic Phase of FeSe Superconductor, Phys. Rev. X 8, 031033 (2018).
上述研究工作獲得了國家自然科學基金委、科技部和科學院先導B項目等基金的資助。
相關工作鏈接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.031033
圖1. 單疇FeSe在1.6K下測量的費米麵以及超導能隙。
圖2. FeSe超導能隙的強烈各向異性。
圖3. FeSe的能帶結構以及軌道特性。
圖4. FeSe 中超導能隙與dxz軌道譜重的反相關關係。
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