导读
南京大学超导电子学研究所王华兵教授团队，联合鲁汶大学纳米尺度物理与化学研究所、图宾根大学物理研究所、安特卫普大学电子显微镜材料研究组与日本国立材料科学研究所团队成功开发了一种介观铁基超导体结构，利用非磁性锌杂质局部破坏超导性，揭示了配对对称性的关键机制。
该器件基于Ba0.5K0.5Fe1.94Zn0.06As2单晶纳米桥（截面积最小119 × 102 nm²），通过观察热激活相滑移现象，证明锌杂质以三维“瑞士奶酪”模式抑制超导，平面内和外特征长度略小于1.34 nm。实验结果显示，锌杂质导致超导序参量沿狭窄通道波动，有效截面仅几平方纳米，导致电阻跃迁和迟滞行为。该研究团队采用高压制备单晶、光刻与聚焦离子束加工纳米桥，并通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和能量色散X射线光谱（STEM-XEDS）验证锌均匀分布。这种介观结构设计为探究铁基超导体的s±波配对对称性提供了高效方法，特别适用于非磁性杂质对超导破坏的研究。论文以“Local destruction of superconductivity by non-magnetic impurities in mesoscopic iron-based superconductors”为题发表于国际期刊Nature Communications，标志着铁基超导体领域的一个重要进展。
研究背景
铁基超导体作为高临界温度（Tc）材料，其配对对称性是核心问题之一，多间隙s波模型广受认可，但s±波（符号反转）与s++波（无符号反转）等方案仍争议不断。非磁性杂质取代是解决这一问题的关键方法，因为不同模型下杂质的对破机制不同。根据Anderson定理，非磁性杂质在各向异性间隙（如d波或s±波）超导体中可作为强散射中心，导致对破并显著抑制Tc。早期实验显示，非磁性锌可抑制多种铁基超导体的超导性，但Tc抑制幅度低于s±波预期，引发关于局域化、无序或轨道涨落等效应的讨论。
近年来，介观结构研究成为揭示杂质局部效应的有效途径。在准一维系统中，热激活相滑移可导致电阻行为，通过有限温度下超导序参量（ψ）的空间或时间调制，ψ收缩至零并产生2π相位滑移。然而，高Tc超导体的相干长度（ξ）极小（约2 nm），难以实现真正一维系统。铜氧化物纳米桥实验显示相滑移，但易受降解影响。相比之下，Ba0.5K0.5Fe2As2（BK）系统加工稳定，适合杂质效应研究。本研究提出引入锌杂质的介观BK纳米桥方案，利用锌的局部破坏诱发相滑移，揭示三维“瑞士奶酪”模式下的超导抑制。该设计不仅验证了非磁性杂质对破，还为铁基超导体的s±波对称性提供了证据，支持配对破机制而非单纯无序效应。
核心设计、原理与结果分析
图1. 纳米桥图像与输运特性。(a) 纳米桥BKZn-N1的扫描电子显微镜图像，比例尺500 nm。(b) 纳米桥BKZn-N1、BKZn-N2和微桥BKZn-M1的零场R(T)曲线。偏置电流为10 μA。空心符号为实验数据，实线为Little热激活相滑移模型拟合。(c) 微桥BKZn-M1的μ0(Hc2)^2(T)和ξab(T)。μ0(Hc2)^2(T)从正常态电阻率ρn的90%点提取，使用静态场（<9 T）和脉冲场（至52 T）。ξab(T)由Ginzburg-Landau公式计算；深青线为Ginzburg-Landau关系拟合。水平紫虚线显示锌离子间平均距离li。
本研究设计了一种基于锌掺杂BK单晶的介观纳米桥（图1a），宽度W和厚度h最小119 × 102 nm²，长度L约1452 nm。锌取代铁位（3 at%），作为无自旋中心，可能诱发铁位s=2磁矩（“Kondo空穴”问题）。R(T)曲线（图1b）显示微桥BKZn-M1的尖锐跃迁（ΔTc≈3 K），而纳米桥呈现多步跃迁和宽化（ΔTc≈11 K for BKZn-N1），典型相滑移特征。拟合使用Little模型：RPS(T)=Rn exp(-ΔF / kBT)，ΔF=0.83 kB Tc (Rq A* / ρ ξ0) (1-T/Tc)^{3/2}，得到有效截面A≈8.26 nm² (BKZn-N1)和455.27 nm² (BKZn-N2)，远小于几何截面。
图2. 纳米桥BKZn-N1的电流-电压特性（IVCs）。(a) 不同T下的零场IVCs。箭头表示偏置电流扫描方向。(b) 5 K向上扫描IVCs放大视图。各分支线性外推交于V=0，符合Tinkham相滑移描述。
IVCs（图2a）显示从零开始增加偏置电流，样品切换至中间电阻态（Ic=0.64 mA at 2 K），进一步增加跳至正常态。向下扫描时，回陷电流Ir处从正常态回至中间态，再至超导态。迟滞归因焦耳加热，增加热激活概率。放大视图（图2b）显示线性分支交于V=0，表明相滑移中心。时依赖Ginzburg-Landau模拟（补充图9）确认阶梯状迟滞行为。
图3. 纳米桥BKZn-N1的差分电阻。偏置电流I和温度T依赖的差分电阻dV/dI在零磁场下。(a) 向上扫描分支。(b) 向下扫描分支。红点表示大电压跳跃的临界电流。
dV/dI(I,T)（图3）显示向上扫描时2 K有两个中间态（雪崩相滑移），T>2 K更多态；向下扫描两个主要步。红线标示切换电流。
图4. “瑞士奶酪”模型。(a) 沿纳米桥的输运测量方案，电流沿ab平面流动。(b) BKZn薄片的HAADF-STEM图像，沿c轴检测，比例尺50 nm。(c,d) b中区域的STEM-XEDS映射，分别为Zn/Fe和Zn分布。(e,f) 二维和三维“瑞士奶酪”模型示意图。黄色扁球体对应锌离子中心的非超导区，赤道长ξab，极长ξc。
锌分布HAADF-STEM（图4b）和STEM-XEDS（图4c,d）显示ab平面均匀分布，无相分离。理想均匀下，锌间平均距离li≈1.60 nm=r / √x（r=2.77 Å）。li<ξab(T)，尤其近Tc。二维“瑞士奶酪”模型（图4e）：锌排除π ξab²区，非超导体积分数η= x π ξ0² / (√2 a)²≈2.35，但实验显示超导耐锌至10 at%。计算表明s±对称下平面ξ≈0.55 nm（η=0.17），但为η=1，特征长度<1.34 nm。三维模型（图4f）：锌破坏c轴对称，增强Ba/K层间距，弱化Josephson耦合，导致狭窄通道中ψ波动，有效A*远小于几何A。
关键制备工艺
为实现锌掺杂介观结构与超导测量的兼容制造，团队开发了基于高压制备的晶圆级方法。
单晶生长示意图。
工艺使用高压制备：BaAs、KAs、FeAs、Fe和Zn的化学计量混合物置于钽胶囊中，h-BN内衬，带式高压装置中3 GPa压缩，1300 °C加热4 h。锌浓度由能量色散X射线光谱确认（补充图1）。
纳米桥加工：沿c轴剥离单晶成薄片，用环氧树脂粘于Si衬底，ab平面平行衬底。(i) 沉积Au；(ii) 200 °C氮气氛围退火24 h；(iii) 光刻图案化；(iv) 氩离子铣刻成微桥；(v) 丙酮去除光阻，银浆连接电极；(vi) 氩离子铣去除Au层。微桥W=2 μm，L=10 μm，h=100-400 nm。纳米桥用聚焦离子束（Ga源，FEI Dual beam Strata 235）切割微桥，W至119 nm。该工艺基于YBCO薄膜程序，确保无降解。
器件表征与性能验证
图1b,c中的R(T)和Hc2(T)。
制造器件显示良好完整性。使用Physical Properties Measurement System静态场（<9 T）和脉冲场（至52 T）测量Hc2（图1c），提取90% ρn点。ξab(0)=2.05 nm，ξc(0)=1.20 nm（补充图3,4）。脉冲场补充图5。
图2,3中的IVCs和dV/dI。
IVCs在2-25 K零场测量，显示相滑移和迟滞。dV/dI确认多中间态，支持相滑移中心。这些结果全面验证了器件的优异性能，确认了锌的局部破坏效应。
总结与展望
本研究提出了一种通用方案，通过锌杂质在介观BK纳米桥中诱发相滑移，揭示非磁性杂质的局部破坏。三维“瑞士奶酪”模式提供了对破机制解释；介观设计确保了狭窄通道中ψ波动观察；高压制备实现了均匀掺杂。该工作不仅证实了铁基超导体的s±波对称性，还解决了传统体材料的相滑移观测难题。
此平台可进一步扩展，用于研究其他杂质效应，如在铜氧化物或新型铁基中的应用。未来，通过STM局部探测和理论模拟优化，可进一步量化破坏长度，推动铁基超导体向高Tc器件发展。
论文信息
Jun Li*, Min Ji, Tobias Schwarz, Xiaoxing Ke, Gustaaf Van Tendeloo, Jie Yuan, Paulo J. Pereira, Ya Huang, Gufei Zhang, Hai-Luke Feng, Ya-Hua Yuan, Takeshi Hatano, Reinhold Kleiner, Dieter Koelle, Liviu F. Chibotaru, Kazunari Yamaura, Hua-Bing Wang*, Pei-Heng Wu, Eiji Takayama-Muromachi, Johan Vanacken, and Victor V. Moshchalkov*, Local destruction of superconductivity by non-magnetic impurities in mesoscopic iron-based superconductors, Nat. Commun. 6, 7614 (2015)