最近我们课题组与南京大学王锐、中科院物理所董晓莉研究组合作，利用高能量分辨扫描隧道显微镜（STM），在铁基超导体(Li_1-xFe_x)OHFeSe中发现了杂质束缚态的空间相位差和各向异性塞曼劈裂。该实验首次以高能量分辨的隧道谱成像，发现了磁性杂质诱导的经典Yu-Shiba-Rusinov (YSR)态空间振荡相位与能量的关系，并观察到YSR态在磁场下的各向异性Zeeman劈裂，为进一步理解YSR态的机制以及如何通过操纵杂质来调控量子态提供了依据。相关论文以“Phase shift and magnetic anisotropy induced splitting of impurity states in (Li_1-xFe_x)OHFeSe superconductor”为题发表于Physical Review Letters 130, 206001 (2023)上。

早在1960年代，于渌、Shiba和Rusinov就发现磁性杂质可在超导体能隙中诱导出束缚态（即YSR态）。杂质束缚态的研究对于理解超导配对性质以及构筑新型超导准粒子态方面具有重要作用。扫描隧道显微镜（STM）可在实空间直接探测YSR态，它们在隧道谱中表现为能隙内的关于费米面对称的峰。理论上，YSR束缚态具有空间振荡衰减的行为，并且每对YSR态的振荡相位差（散射相移）与它们的束缚能直接相关。然而受限于材料表面质量和仪器分辨率，目前关于振荡相位的精确测量非常有限，但该相位对YSR之间的耦合非常关键。另一方面，虽然超导杂质态在能谱上表现为相似的态密度峰，它们形成机制以及自旋和轨道特征却可能很相同。YSR态不仅是杂质自旋—传导电子交换作用与超导配对竞争的结果，更受到磁晶各向异性、散射势各向异性等因素的影响，这使得对杂质态的分析变得复杂。探究超导体中杂质态对外磁场的响应（比如随磁场发生能级移动还是劈裂）可以帮助厘清杂质态的形成机理，但这对仪器的能量分辨率和超导材料的临界磁场都提出了较高的要求。

最近我们课题组利用高分辨极低温STM对铁基超导体(Li, Fe)OHFeSe中杂质态的空间分布和磁场响应进行了细致研究。我们在FeSe面的铁空位杂质上观察到两对尖锐的能隙内束缚态α±和β±，它们清晰的空间振荡行为符合准二维YSR态波函数分布。通过仔细分析，课题组发现在α+和α-能量下，杂质周围的态密度振荡存在相位差，对β+和β-也是如此。并且它们的能量与相位差都满足YSR态散射相移δ_+-δ_-与束缚能ε之间的关系ε/∆₀=cos (δ_+-δ_-)。与此同时，研究组发现两对杂质态在磁场下均表现出塞曼劈裂行为，并且劈裂的幅度与磁场方向有关。理论建模和M模拟计算表明，这种杂质态是由未受到屏蔽的高自旋（S = 2）杂质在磁各向异性的环境下诱导的。该研究结合态密度的实空间测量、微分电导谱的磁场响应和模拟计算，从复杂各异的杂质态起源中确定出该杂质态的形成机理，并进一步加深了人们对经典YSR态的理解。

该工作得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委的资助支持。

论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.206001

图(a):(Li,Fe)OHFeSe中FeSe面的形貌图。(b):哑铃形的第二类杂质上的微分电导谱，包含了两对锐利的超导能隙内杂质态。(c,d,e,f):一个哑铃形杂质周围的微分电导分布图，分别在α±和β±的能量下采集。(g):α±能量下的微分电导沿Fe-Fe方向（如图(c)中绿色箭头所示）的振荡。(h):杂质态α±和β±的能量和相位差的关系，符合图中红色实线对应的理论公式。(i):杂质态α±和β±在面外场（ B_Z）下的劈裂幅度和磁场强度的关系。(j): 杂质态α±在相同强度不同方向（如插图中所示）的磁场下表现出不同的劈裂强度，红色实线为洛伦兹峰形拟合。