Direct real-space imaging of sign-reversal superconducting state by scanning Josephson tunneling
通过利用扫描约瑟夫森隧穿显微术，研究人员直接观测到了单层 Fe(Te,Se) 薄膜中的半单位晶胞周期性调制，这证实了其具有符号反转的无节点 d 波配对对称性，从而克服了此前在确定铁基超导体复杂配对机制方面的局限性。
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在物理学最神秘的材料核心，隐藏着一个简单的问题：电子是如何配对并无电阻流动的？在许多高温超导体中，这些配对并非完全相同的双胞胎；它们更像是向相反方向运动的伙伴，这种状态被称为符号反转（sign-reversal）。确定这种伙伴关系的精确形状或对称性至关重要，因为它揭示了将电子结合在一起的隐藏力量。几十年来，科学家们一直依赖大规模实验来推测这些形状，但这些方法往往会模糊精细的细节，就像试图从一英里外读一本书一样。对于铁基超导体而言，这一挑战尤为严峻，这是一个强大的材料家族，其配对规则极其复杂，且信号经常被多种电子类型的存在所干扰。
现在，一个研究小组利用一台如此强大的显微镜来观察这个问题，它甚至可以看见单个原子，从而提供了观察这些电子对行为的直接视角。通过使用一种称为扫描约瑟夫森隧穿显微术（scanning Josephson tunneling microscopy）的专门技术，他们绘制了一个生长在晶体表面的单层铁基材料的超导态图谱。他们发现，看到的并非均匀发光的超导态，而是一种每半个原子就重复一次的明暗交替的显著图案。最重要的是，他们发现电子对的信号在连接原子的特定线段上完全消失了。这条“零线”并非材料的缺陷或间隙，而是电子对相互抵消的基本特征。这一发现有力地表明，该材料中的电子是以一种特定的、符号反转的模式——即无节点d波（nodeless d-wave）进行配对的，这种形状此前曾被理论化，但从未以这种方式被直接可视化。
故事始于一种让科学家困惑多年的材料：一层仅有一个原子厚度的铁、碲和硒，坐落在钛酸锶表面。这种薄膜因能在相对较高的温度下实现超导而闻名，但其内部结构仍是一个激烈争论的话题。为了理解内部正在发生什么，研究人员需要一种能够探测电子对量子相位（quantum phase）的工具，这一属性决定了它们的运动和相互作用方式。他们转向了一台配备了铅涂层探针的扫描隧道显微镜，这是一种常规超导体。当这个超导探针悬停在铁基薄膜上方极近距离时，它会形成一个微观桥梁，允许电子对跨越间隙进行隧穿。这种隧穿电流的强度取决于探针与薄膜中电子对相位的对齐程度。
研究人员不仅测量了单一点的电流；他们还将探针在表面上逐个原子进行扫描，记录了每个位置的隧穿信号强度。他们发现了一个对比极其强烈的景观。信号在相邻铁原子之间的中点处最强，但当探针移向连接次近邻铁原子的连线时，信号急剧下降。事实上，沿着这些对角线，隧穿电流几乎完全消失了。这是一个深刻的观察，因为这些点之间的距离极其微小，远小于典型的超导区域尺寸。如果材料仅仅是不均匀或超导性呈斑块状，信号不会如此精确地在这些特定的几何线上消失。消失的信号表明，线的一侧的电子对与另一侧的电子对步调完全不一致，导致它们通过相消干涉（destructive interference）相互抵消。
这种抵消是特定配对对称性的“确凿证据”。用量子力学的语言来说，研究人员发现电子对在跨越这些对角线反射时改变了其符号。这种行为符合无节点d波的理论预测，即配对函数具有特定的形状，在进行某些旋转和反射时会翻转其符号。团队通过测试其他超导体，确认了这种模式并非其设备的人为产物或特定材料成分的结果。当他们在由铅制成的常规超导体上进行同样的实验时，信号保持均匀，没有出现这种抵消现象。当他们观察体相版本的铁基材料时（已知具有不同的配对结构），信号也是均匀的。然而，当他们测试另一种不同的铁基薄膜以及一种著名的铜基超导体（两者皆已知具有d波对称性）时，他们看到了同样的沿对角线消失的信号。
结果为这些铁基薄膜的超导态提供了一个清晰的实空间图像。研究人员认为，这些铁基薄膜中的电子对并不遵循许多其他铁基超导体中那种简单、均匀的模式。相反，它们锁定在一种复杂的、符号反转的舞步中，创造了这些零信号线。这一发现支持了这样一种观点：即这些薄膜中的高温超导性源于一种此前仅存在于假设中的特定配对类型。通过在原子尺度上直接可视化电子对的干涉，这项研究提供了一种理解超导机制的新方法。它表明，解锁这些材料秘密的关键可能在于观察电子对在它们实际存在的地方发生的微妙抵消与对齐，而不是通过大面积平均化处理。这项工作为以同样的细节度探索其他奇异超导体开辟了道路，潜在地揭示了支配物质如何实现无损导电的隐藏规则。
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