Signatures of nodal superconductivity in stoichiometric FeTe

在材料科学领域，某些金属和化合物拥有一种“秘密生活”：当冷却到接近绝对零度的温度时，它们可以无电阻地导电。这种被称为超导现象的现象不仅是实验室里的奇趣现象，它还是医疗扫描仪中强力磁铁的引擎，也是未来无损耗电网的潜力所在。几十年来，科学家们一直在寻找支配这些材料如何使电子配对以实现无摩擦流动的规则。有一类由铁以及硒或碲等元素组成的材料，一直特别令人困惑。在这些铁基超导体中，打破电子对所需的能量通常取决于观察的方向，这种特性被称为各向异性。随着研究人员在铁硒混合物中加入更多的��_碲，他们曾预期这种方向依赖性会逐渐消失，从而在纯铁碲光谱的一端呈现出一种均匀、简单的状态。然而，纯铁碲材料本身却始终是一个谜，长期以来一直被认为是一种拒绝超导的磁性金属。

现在，一个研究小组通过研究真正的纯铁碲薄膜，揭开了这一谜团的层层面纱，揭示了一种违背预期趋势的超导态。这种材料并没有变得简单和均匀，而是表现出一种复杂的、不均匀的方式，这表明其电子对会在特定方向上发生破裂，这种特征被称为节点超导性。通过绘制材料对磁场的响应图并从原子尺度检查其电子结构，科学家们发现，超导态并非一个平滑、平坦的景观，而是一个充满了深谷和尖峰的景观。这一发现挑战了此前认为添加碲仅仅是平滑了超导能隙的观点，表明这种最纯净形式的材料承载着一种独特且不同寻常的量子行为。

这一发现之旅始于一种长期被视为死胡同的材料。铁碲曾被认为是磁性金属，其电子排列成特定的模式，从而阻碍了超导现象。然而，近期的进展使得科学家能够生长出完美的、比例平衡的铁碲薄膜——即铁原子与碲原子的比例恰好为1:1，从而消除了此前阻碍超导态的杂质。当冷却时，这些薄膜确实成为了超导体，但问题在于，它们究竟是哪种超导体？为了回答这个问题，研究人员使用了一种名为扫描超导量子干涉仪（SQUID）的高灵敏度工具，它就像一个微型磁力计。他们将该传感器在铁碲薄膜表面移动，以测量材料排斥磁场的强度，这一特性揭示了超导流的刚性和稳健程度。

他们发现了一个充满惊人变化的景观。即使是在肉眼看来均匀一致的样品中，超导流的强度也会在仅几微米的距离内发生显著变化。有些区域强劲且具有韧性，而另一些区域则较弱，超导现象开始消失的温度在同一块微小的材料区域内移动了超过一度。这种空间上的不一致性表明，该材料并非作为一个单一、完美的晶体在运行，而是更像是一个由略有不同的区域组成的拼布。更重要的是，当研究人员追踪随着从接近绝对零度开始升温时超导刚性的变化时，它并不像标准超导体那样表现。在典型材料中，超导流在温度下降时会迅速稳定，但在这种铁碲薄膜中，超导流在他们能测量的最低温度下仍在持续变化，遵循着一种暗示着能隙结构的特定数学模式。

为了理解是什么导致了这种行为，团队转向了另一种被称为扫描隧道显微术的技术，该技术允许他们观察表面单个电子的能量水平。在标准超导体中，能量谱通常呈现出一个深U形，有一个电子无法存在的清晰能隙。然而，在铁碲薄膜中，能谱呈现出V形，向中心收缩为一个点，而不是变平。这种V形是材料能量隙在某些方向趋于零的标志，从而创造了电子可以轻易脱离的“节点”。这一观察结果结合磁性测量，指向了一个双能隙情景：该材料拥有两种不同类型的电子对，其中一种是高度方向性的，并且包含这些节点，而另一种则更为均匀。

研究人员利用基于已知原子结构的计算机模拟测试了这些想法。通过模拟电子如何与其邻居相互作用，他们发现该材料自然支持一种电子对形成具有节点模式的状态，类似于四叶草形状，或称为节点s波态。这些模拟证实，这些节点是该材料的一个稳健特征，而非实验中的偶然现象。结果表明，当材料接近纯铁碲极限时，超导态并没有像此前认为的那样变得更简单和更均匀。相反，它演变成了一个复杂的机制，在这种机制下，电子对对方向和无序高度敏感。

这项工作还揭示了超导流强度与出现温度之间的深层联系。在超导流非常强的区域，温度保持稳定；而当流变弱时，超导现象消失的温度则迅速下降。这种关系镜像了在其他著名超导体家族中看到的模式，暗示了关于这些材料在不完美有序状态下如何崩溃的一条普遍规则。这些发现确立了化学计量比铁碲作为一个研究非常规超导性的独特且独特的实验场。在这里，规则与它的邻居们不同，为那些试图解释电子如何在这些复杂量子系统中配对的理论提供了一个新的基准。通过展示这种最纯净形式的材料承载着节点双能隙态，这项研究为理解铁基超导体丰富多变的领域开启了新的篇章。