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闻海虎教授团队在铁基超导机理研究方面取得重

发布时间:2019-12-13 06:52编辑:产品评测浏览(168)

    铁基高温超导体自从2008年被发现后,已经将近10年时间了,其超导机理问题仍然没有得到解决。超导机理的核心问题就是关于电子库玻对的成因。铁基超导体作为第二类高温超导家族,有广泛的强磁场应用前景,其机理问题也与铜氧化物超导体一样,构成了当前物理学前沿领域中的重大科学问题。

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    人们发现铁基超导体的电子费米面形状在不同的系统中有很大区别。早期发现的很多铁基超导体,既有电子型费米面,又有空穴型费米面,因此促使理论上提出了能隙符号反转的模型 ,与磁交换作用导致电子配对的物理图像吻合。然而,最近几年发现的很多新的铁基超导体,不存在空穴型费米面,使得人们动摇了对S+-模型的认可,对铁基超导体能隙的认识一时陷入莫衷一是的状态。闻海虎教授团队首次利用电子驻波的相位敏感实验,发现了没有空穴费米面的铁基超导体仍然具有能隙符号反转行为,因此统一了铁基超导体能隙结构的认识,即超导电子配对均可能来自于反铁磁的自旋涨落效应,对铁基超导机理问题的解决将起到重要推动作用。该工作于2017年10月23日在线发表于Nature Physics [Nature Physics 23 Oct 2017. DOI.10.1038/NPHYS4299.]。

    4月29日,记者了解到,南京大学超导研究团队闻海虎、杨欢教授等人仔细测量了一种典型的铜氧化物Bi2212的扫描隧道谱,利用超导态的准粒子参考相位技术进行数据分析,直接演示了该超导体的d-波对称性能隙。此实验结果与王强华教授等的理论计算相一致。该工作促进了非常规高温超导机理研究的发展,于近日发表在。

    该成果是闻海虎教授小组与美国佛罗里达大学Peter Hirschfeld小组,德国鲁尔大学的Ilya Eremin小组和美国海军实验室的Igor Mazin等理论学家合作完成的,南京大学为第一完成单位。样品生长、基本物性测量、扫描隧道显微镜、隧道谱测试和分析部分是由南京大学完成,部分理论计算由上述的美国和德国理论物理学家完成。文章共同第一作者是杜增义,杨雄,顾强强和Dustin Atenfield博士生和杨欢教授。通讯作者为Peter Hirschfeld和闻海虎教授。闻海虎教授协调了整个工作进展。另外,Nature Physics每年发表的科学研究类型文章数量在200篇左右, 2016年的SCI影响因子为22.8,被认为是物理学最有影响的杂志之一。该篇文章是闻海虎教授在南京大学工作后,发表有南大署名的第四篇Nature Physics文章。

    铜氧化物超导体自从1986年被发现以来,其超导机理一直被本领域科学家高度关注。具有排斥势的两个电子,为什么在高达160多开尔文下仍然能够配对并凝聚成为超导态,这是横亘在凝聚态物理领域的一个重大科学问题。超导态一旦形成,就受到能隙的保护,这也是超导态为什么能够在一定温度下存在的原因。而形成超导的内在因素直接决定着电子配对能隙函数的形式。因此探测非常规超导体的机理问题的首要任务是知道超导能隙的函数形式。早先的理论研究预测铜氧化物超导体的能隙可能具有d-波对称性,基于约瑟夫森效应的相位敏感实验和热力学实验也支持这个结论。但是约瑟夫森相位敏感实验一般要求复杂的加工工艺和测量技术,而且对于费米面上无能隙节点的超导体,如铁基超导体是不起作用的;热力学实验一般不具有动量分辨能力。因此对于高温超导机理,我们需要直接测量并演示能隙的函数形式。

    该项研究是基于一种新型的电子驻波相位敏感的探测实验。如果超导态具有能隙符号反转的S+-能隙结构,理论预言超导态的库玻对被无磁性杂质散射后会被拆散成为单电子,在能隙内出现杂质态共振峰,在没有符号反转的的S++配对模型下就不会出现。进一步,由于这些准粒子形成的干涉驻波在空间的相位对能隙的结构非常敏感,连接所关心的费米面的两点之间准粒子相干散射的傅里叶变换强度的正负能之差,理论上简称为dr-,对于符号反转的能隙,应该是共振叠加的;反之,对于没有符号反转的能隙,信号应该非常微弱。为了完成这个实验,闻海虎教授团队进行了两年多的艰辛准备和实验,终于取得突破,获得了能隙符号反转的确切证据。

    科学内容阐述

    研究团队工作的第一步是生长出无磁性杂质Zn掺杂的OHFe1-yZnySe单晶样品,并用扫描隧道谱证明这个杂质是无磁性杂质。然后,利用准粒子散射技术获得该材料的费米面和能隙大小,这一步在该小组2016年的文章中已经说明 [Z. Y. Du et al., Nat. Commun. 7, 10565]。之后,关键的一步是测量连结点之间准粒子相干散射的傅里叶变换强度的实部正负能之差。因为牵涉这个物理量的实部,必然包含相位敏感的信息。理论预言该物理量对于 S+-, 应该是共振增强,相反,如果没有能隙符号反转,则信号很弱。研究的结果显示在图2中。实验结果清晰显示此类超导体尽管只有电子费米面,没有空穴型费米面,但是其能隙符号也会出现反转,即S+-。因此他们预测超导能隙大概结构如图2中的一种所示,更倾向于左边的形状。

    超导态都是电子形成库玻对然后凝聚的产物。超导机理的核心问题就是关于电子库玻对的成因。铜氧化物超导体中的超导一般是由CuO2平面所承担,附近的载流子库层起到调节CuO2平面物性的作用。由于电子强关联特性,该CuO2的物理特性不能被现有的固体能带论进行描述。因此高温超导是来源于目前我们还认知甚少的强关联电子态,这也是为什么高温超导机理问题这么难解决的原因。图1a显示的是Bi2212单晶样品解理以后暴露的BiO面的结构,可以看见沿着一个方向有一个非公度调制结构出现。图1(b)显示了铜氧化物超导体的费米弧的示意图。在高温超导体中,能带论计算的原本连续封闭的费米面没有出现,由于强关联效应,费米面变成了四段费米弧,在费米弧端点有很高的态密度。在8个端点之间有7个散射波矢,分别用q1…q7进行描述。在测量完准粒子相干散射形成的图案以后,利用傅里叶变换,就可以得到这7个波矢的散射亮斑。假如系统具有d-波能隙形式,很容易看出,在这7个散射波矢中,q1, q4, q5对应的是能隙同符号动量点间的散射,而q2, q3, q6, q7则对应的是能隙相反的动量点之间的散射。我们可以利用相位敏感的准粒子相干散射(Phase-Referenced Quasi-Particle Interference, 简称PR-QPI) 技术来进行甄别。

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    图1. Bi2212单晶表面的原子像,费米面示意图和隧道谱。(a) Bi2212单晶BiO层表面的原子像,沿b方向有一个非共度调制出现。(b) 费米弧片段。小圆圈标出的是态密度较高的费米弧端点位置,右上角的示意图显示在圆形费米面上d-波能隙函数的情况,红色和绿色部分分别对应能隙函数的正负。(c) 一条典型的隧道谱(圆点)和d-波模型的拟合(红色曲线)。(d)从大约200条隧道谱上确定的能隙的统计分布,红色线给出了高斯拟合,最大能隙大约在43 meV。

    图1. Zn掺杂的铁基超导体OHFe1-yZnySe的表面原子像,一个亮的格点代表一个Se原子,哑铃状的缺陷是Fe位置的杂质;给出的是在磁场为零和11特斯拉的时候所测量到的扫描隧道谱在空间的变化规律。可以看见在杂质点上面有非常强烈的杂质共振态峰。 显示的是在杂质点上面测量到的磁场为零和11特斯拉的隧道谱,可见峰位置并未随磁场发生移动,说明此杂质是无磁性杂质。

    所谓PR-QPI技术是指比较正、负能量的傅里叶变换强度r(q,E)的相位。在超导态库玻对被热效应或杂质拆对之后变成准粒子,而这些准粒子满足Bogoliubov色散关系,其中包含能隙的信息。当这些准粒子被从一个动量点ki散射到另外一个动量点kj以后,会形成波矢q=ki-kj的驻波。各种可能的驻波在空间相干交叠,形成一定的图案,我们称为电子态密度空间分布图案r(r,E),可以用扫描隧道显微镜测量出来。经过对r(r,E) 做傅里叶变换,就可以得到动量空间的QPI,即r(q,E)。一般大家只关注这个物理量的幅值,从而在q-空间勾勒出费米面的信息。然而,实际上这个物理量在任何一个q点是复变量,同时具有相位,即r(q,E)=|r0(q,E)|exp[ij(q,E)]www.85058.com,,每一q点的幅值和相位可以从实验数据直接求出来。理论分析指出,该相位与能隙函数的形式关联起来,准粒子被无磁性杂质散射以后,对应能隙符号反转的两个动量点的q矢量,其正、负能量的r(q,E)会相差p位相。因此我们可以通过这个技术来决定该超导系统的能隙是否具有d-波函数形式。

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    图2显示的是根据实验数据计算出来的相位参考的物理量rr(q,-E) = |r(q,-E)|cos[j(q,E)-j(q,-E)]。每个虚线小圈标示的是7个散射斑的位置和强度积分的区域。从上面的描述得知,在d-波能隙情况下,q1, q4, q5对应的是能隙同号

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