《Physical Review Letters》报道张焱课题组关于铁基超导体中自旋密度波和超导能隙各向异性同构的研究进展
高温超导机理一直是凝聚态物理前沿研究中的一个重要问题。由于高温超导相通常与磁有序相在相图中交织出现，理解超导相与磁有序相之间的关联，对于理解高温超导配对机理十分重要。铁基超高超导是近些年发现的一类高温超导材料，其相图中存在着高温超导相与条纹自旋密度波相。而有关超导与自旋密度波之间的关系，一直存在争议。
能隙结构测量是一种研究相转变机制的有效实验方法。在有序态下，电子系统通常会在费米能处打开能隙。能隙的大小以及在动量空间的分布直接反应了体系中存在的相互作用形式。对于铁基高温超导材料而言，其超导相的能隙结构已经得到了广泛的研究。然而对于条纹自旋密度波相，由于其存在面内旋转对称性破缺，从而导致多畴现象，能带结构非常复杂。因而，对于铁基高温超导材料中的自旋密度波能隙结构的测量，至今没有清晰和详细的实验结果。
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心张焱研究组利用自主搭建的高分辨角分辨光电子能谱和美国斯坦福同步辐射实验室BL5-4实验站，测量了铁基超导材料中的自旋密度波的能隙各向异性。在研究中，张焱课题组首先通过样品合成，利用Sr1-xNaxFe2As2体系，获得了不具有旋转对称性破缺的C4磁有序相。这使得测量不受多畴的影响，将探测能带的数量减少一半。同时，由于SrFe2As2类铁基高温超导体都存在表面电子态和体电子态分离的问题。张焱课题组利用表面电荷补偿的方法，成功压制了部分表面态，增强了体电子态的谱权重。通过这些实验手段，成功测量得到了自旋密度波能隙在费米面上的分布。实验同时和同一体系中的超导样品进行了比对，发现自旋密度波能隙和超导能隙在能隙结构上存在很强的相似之处，包括同样的角对称性、不同费米面上的相对能隙大小以及能隙极小和极大所处的位置 （图1）。这说明，超导相和自旋密度波相紧密相关，超导配对相互作用和磁相互作用可能具有共同的来源。这为理解铁基高温超导材料中超导配对机理提供了重要的实验依据。
图1：C4磁有序相能隙和超导能隙的对比。(a) C4有序相下，不同费米面上自旋密度波能隙的分布。（b）超导相下，不同费米面上超导能隙的分布。(c) 自旋密度波能隙和超导能隙分布的对比示意图。
该项工作以“Isostructural Spin-Density-Wave and Superconducting Gap Anisotropies in Iron-Arsenide Superconductors”为题，于2020年6月19 日在线发表于物理学术期刊Physical Review Letters上。量子材料科学中心的张焱研究员是文章的通讯作者，博士生韩婷婷为文章第一作者。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持。