图1：(a-c) 外延于石墨烯衬底上β-FeSe超导薄膜的STM形貌图。多余的Se原子诱导出“哑铃”状缺陷和单向的电子双聚体结构。(d和e) β-FeSe和孪晶界的结构示意图。
图2：(a-b) 孪晶界附近的STM形貌像。(c) 孪晶界附近归一化dI/dV谱。(d-e)零偏压(d)和对应相干峰位置能量(e)下的微分电导谱。
图3：超导能隙（Δ）和零偏压电导（ZBC）随孪晶界距离的变化关系。
图4：(a-b) 同一区域的STM形貌像(a)和ZBC图像(b)。(c) 孪晶界和磁通位置的示意图，表明磁通多被钉扎在孪晶界上。
孪晶界作为一种晶体缺陷，对超导材料的性质以及技术应用如超导转变宽度和临界电流等有着重要的影响。在很多传统超导体中，孪晶界附近的超导转变温度会略有提高。由于较短的相干长度和较强的各向异性使得缺陷对高温超导体的超导性质的影响很大，如YBCO的孪晶界能够钉扎磁通，由此使临界电流提高。对铁基超导材料而言，最近研究发现，同一种材料如Ba(Fe1-xCox)2As2的孪晶界对超导电性的影响出现了相互矛盾的结果。
SQUID以及其它磁探测成像技术的空间分辨率一般在几百纳米的范围，而磁通钉扎可能只发生在几个纳米的尺度（与相干长度接近）里。因此，单从现有的磁成像技术来确定一个磁通被钉扎在孪晶界处或者孪晶界附近是非常困难的。扫描隧道显微镜/谱技术可以同时对孪晶界和磁通在相干长度的尺度上成像，它可以在提高100倍的分辨率的基础上来研究孪晶界对超导电性的影响。
近两年来，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）表面物理实验室马旭村研究员与清华大学物理系薛其坤院士在β-FeSe超导薄膜的分子束外延生长和超导电性研究方面已开展了深入的研究【Phys. Rev. B 84, 020503 (2011)；Science 332, 1410 (2011)】。最近，他们又与哈佛大学的Jennifer E. Hoffman教授合作，利用低温扫描隧道显微镜/谱对FeSe超导薄膜中孪晶界附近的超导电性进行了原位的详细研究。
他们发现，（1）通过引入Se杂质，在FeSe表面观察到由Se替代Fe原子位置产生的“哑铃”状缺陷（图1中μ和ν），同时这些缺陷在更大尺度上（~4.4 nm）打破了晶体的四重对称性形成电子双聚体（electronic dimer）（黄色虚线）。通过研究这些电子双聚体的不同取向，确定了FeSe超导薄膜中的孪晶界。（2）随着向孪晶界靠近，超导能隙逐渐减小，超导相干峰逐渐减弱（图2和图3）。在孪晶界处的超导能隙（1.6meV）比没有孪晶界出现的区域的能隙（2.2meV）缩减了25%，证明了孪晶界在超导相干长度尺度内抑制了FeSe薄膜的超导电性。（3）磁通优先被钉扎在孪晶界处（图4）。以上结果表明，FeSe薄膜中的孪晶界结构局域削弱了超导电性。
考虑到STM形貌像总显示出孪晶界区域总高于周围FeSe薄膜，并参考高压下单晶FeSe材料的结构及超导特性变化的研究（如压力会导致hse降低、自旋涨落增强和Tc增加等），研究人员推测孪晶界处FeSe原胞中Se相对于Fe平面的高度（hse）存在局部的增加，这会扭曲FeSe4四面体结构和削弱电子配对所借助的(π, π)自旋涨落。这是导致孪晶界处超导特性局域削弱的主要可能的原因。
这些结果对理解铁基超导化合物中硫族/氮族元素高度在库珀对形成中所扮演的作用有重要意义。
该成果已被发表在Physical Review Letters（Phys. Rev. Lett. 109, 137004）上。此项工作得到了国家自然科学基金和科技部重大研究计划的经费支持。（来源：中科院物理研究所）
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