高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

超导是一种奇异的宏观量子现象.100多年来,已发现的超导体主要分为两类:以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体.常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释,但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识,已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题.从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构,是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础.角分辨光电子能谱技术,由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量,在高温超导研究中发挥了重要的作用.本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展,主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等.这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.     

新型铁基超导体角分辨光电子能谱研究

最近发现的新型122结构的铁基超导体掀起了铁基高温超导研究的又一轮热潮.文章利用角分辨光电子能谱实验手段,研究了这类新型铁基材料的电子结构、费米面拓扑和超导能隙.实验结果表明,其在布里渊区中心的能带结构及费米面与其他铁基超导体存在明显差异,并导致嵌套在粒子-空穴通道的费米面消失.另外,在布里渊区边缘的电子型费米面发现了较强的并且有各向同性的超导能隙.这些结果对可能的超导配对机制提出了严格的限制.     

铁基超导体的输运性质

在铁基超导体中存在着多种有序态,例如电子向列相和自旋密度波等,从而呈现出丰富的物理现象.输运性质的测量能为认识铁基超导体的低能激发提供极为有用的信息.铁砷超导体由于其电子结构的多能带特性,其电阻率和霍尔系数与温度的关系出现多样性的变化,但在正常态并没有看到有类似铜氧化物超导体的赝能隙打开等奇异行为.在空穴型掺杂的铁基超导体中观测到霍尔系数在低温下变号,对应温区的电阻率上出现一个很宽的鼓包等,可能是从非相干到相干态的转变.热电势行为也表现出与铜氧化物超导体的明显差异,比如铁基超导体的正常态热电势的绝对值反而在最佳掺杂区是最大的,这也许跟强的带间散射有关.能斯特效应表明铁基超导体在Tc以上的超导位相涨落并不明显,与铜氧化物超导体存在明显差别.在铁基超导体上所显示出来的这些反常热电性质,并没有在类似结构的镍基超导体(如LaNiAsO)上观测到,镍基超导体表现得更像一个通常的金属.这些均说明铁基超导体的奇异输运性质与其高温超导电性存在内在的关联,这些因素是建立其超导机理时需要考虑进去的.     

铁基和镍基氧磷族化合物超导体研究

本文介绍了铁基超导体发展的重要进展,对铁基超导体的结构进行了分类与总结,通过最新的实验数据对铁基超导体中结构相变和自旋密度波与超导电性之间的关系进行了系统的分析与总结,并结合我们的实验结果与镍基超导体进行了对比,最后对铁基超导体的发展做一些展望.     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.     

A reflection on the contrast between the Cooper pairing in iron-based and conventional superconductors

In this Perspective article we review retrospectively the streamline of our work on iron-based superconductors, and reflect on the mechanism of Cooper pairing in conventional and unconventional, such as iron-based superconductors. The main theme of this review is the concept of effective interaction and renormalization group.     

利用单轴压强下的电阻变化研究铁基超导体中的向列涨落

铁基超导体中普遍存在着反铁磁、超导和向列相,因此研究向列相的性质及其与反铁磁、超导的关系对于理解铁基超导体的低能物理及高温超导电性具有非常重要的作用.所谓向列相是指电子态自发破缺了晶格的面内四重旋转对称性而形成的有序态,从而导致样品的某些物理性质出现了两重的各向异性.我们通过自主研发的单轴压强装置,可以在低温下原位改变压强,测量电阻的变化,从而得到向列极化率.本文介绍了我们利用该装置在最近几年研究铁基超导体的向列相和向列涨落所取得的一些成果,包括详细研究了BaFe_(2-x)Ni_xAs_2体系中的向列量子临界点及其量子临界涨落,并提出了基于向列涨落强弱调节的铁基超导体统一相图.这些结果表明,向列相及其涨落与反铁磁和超导均有很强的耦合,对于理解铁基超导体中磁性和超导电性非常关键.     

FeSe基超导体的探索与物性研究

自从2008年铁基超导体发现以来,人们探索并发现了一系列的铁基高温超导材料,其中FeSe基超导体因其具有的独特性质而引起了人们的广泛关注.本文主要介绍了两类新的铁基超导体,即水热合成法合成的（Li,Fe）OHFeSe及电化学插层方法合成的（CTA）_xFeSe的晶体结构及超导性质;对近年发展起来的利用电双层场效应晶体管技术以及固态离子导体调控FeSe的电子态性质的研究做了简要介绍.     

Universal behavior of the upper critical field in iron-based superconductors

The newly discovered iron-based high temperature superconductors have demonstrated rich physical properties. Here we give a brief review on the recent studies of the upper critical field and its anisotropy in a few typical series of the iron-based superconductors (FeSCs). In spite of their characters of a layered crystal structure, all the FeSCs possess an extremely large upper critical field and a weak anisotropy of superconductivity, being unique among the layered superconductors. These particular properties indicate potential applications of the FeSCs in the future. Based on the experimental facts of the FeSCs, we will discuss the possible mechanisms of pair breaking in high magnetic fields and its restrictions on the theoretical analysis of the superconducting pairing mechanisms.     

铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展

铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s^±波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.     

Iron-based superconductors in high magnetic fields

Here we review measurements of the normal and superconducting state properties of iron-based superconductors using high magnetic fields. We discuss the various physical mechanisms that limit superconductivity in high fields, and the information on the superconducting state that can be extracted from the upper critical field, but also how thermal fluctuations affect its determination by resistivity and specific heat measurements. We also discuss measurements of the normal state electronic structure focusing on measurement of quantum oscillations, particularly the de Haas–van Alphen effect. These results have determined very accurately, the topology of the Fermi surface and the quasi-particle masses in a number of different iron-based superconductors, from the 1111, 122 and 111 families.     

角分辨光电子能谱技术及其应用进展

角分辨光电子能谱（ARPES）是研究晶体表面电子结构,如能带,费米面,以及多体相互作用的重要工具。本文概述了光电子激发的一般过程和单粒子近似下的理论模型。详细讨论了角分辨光电子能谱的能带勾画（Energy Band Mapping）和费米面成像（Fermi Surface Mapping）技术,以及高分辨下的角分辨光电子能谱在强相关体系研究中的应用。文章最后简单介绍了当前角分辨光电子能谱研究的新进展,如研究宽禁带半导体材料的表面电子结构,有机功能材料与金属的界面,金属超薄膜中的量子阱态,以及高温超导机理研究等。     

铜氧化物超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ 多体相互作用的超高能量分辨和时间分辨 角分辨光电子能谱研究

自发现30 多年来,铜氧化物的高温超导机理仍未得到解释。传统超导电性起源于电 子–声子相互作用形成的电子配对,研究传统超导体中的多体相互作用为BCS 理论提供了有 力的证据。目前已证实铜氧化物高温超导体中存在着电子配对,但是引起配对的机制仍不清 楚。因此,对铜氧化物高温超导体中的多体相互作用研究是揭示高温超导机理的关键。角分辨 光电子能谱是研究固体电子结构最直接的技术手段,随着其分辨率的不断提升,在研究高温超 导体的多体相互作用中日益发挥重要的作用。近年来兴起的时间分辨角分辨光电子能谱在常规 角分辨光电子能谱的基础上增加了独特的时间维度,从而成为研究多体相互作用动力学的有力 手段。本文详细地介绍了我们利用超高能量分辨和时间分辨角分辨光电子能谱在铜氧化物超导 体Bi2Sr2CaCu2O8+δ 中多体相互作用的研究,包括在节点区域、反节点区域扭折的研究,多体 相互作用的动量依赖关系,配对电子自能的提取以及库珀对在激光泵浦下的受激辐射现象。     

Observation of mode-like features in tunneling spectra of iron-based superconductors

We report scanning tunneling microscopy/spectroscopy(STM/STS) studies on iron-based superconductors of Ba1-xKx Fe2As2 and nearly optimally doped Fe(Te,Se). Mode-like features were observed universally outside the superconducting gaps in the tunneling spectra, which are similar to our previous observations in other samples and can be ascribed to the interaction between electrons and spin excitations. Furthermore, an almost linear relationship between the superconducting gaps and the superconducting transition temperatures was noted and should also be taken into account in understanding the mechanism of iron-based superconductors.     

Crystal chemistry and structural design of iron-based superconductors

The second class of high-temperature superconductors （HTSCs）, iron-based pnictides and chalcogenides, necessarily contain Fe2X2 （＂X＂ refers to a pnictogen or a chalcogen element） layers, just like the first class of HTSCs which possess the essential CuO2 sheets. So far, dozens of iron-based HTSCs, classified into nine groups, have been discovered. In this article, the crystal-chemistry aspects of the known iron-based superconductors are reviewed and summarized by employing ＂hard and soft acids and bases （HSAB）＂ concept. Based on these understandings, we propose an alternative route to exploring new iron-based superconductors via rational structural design.     

Hybrid crystals of cuprates and iron-based superconductors

We propose two possible new compounds, Ba_2CuO_2Fe_2As_2and K_2CuO_2Fe_2Se_2, which hybridize the building blocks of two high temperature superconductors, cuprates and iron-based superconductors. These compounds consist of square CuO_2 layers and antifluorite-type Fe_2X_2(X = As, Se) layers separated by Ba/K. The calculations of binding energies and phonon spectra indicate that they are dynamically stable, which ensures that they may be experimentally synthesized. The Fermi surfaces and electronic structures of the two compounds inherit the characteristics of both cuprates and iron-based superconductors. These compounds can be superconductors with intriguing physical properties to help to determine the pairing mechanisms of high Tc superconductivity.     

铁基超导体中的化学掺杂研究

目前已经发现的绝大部分铁基超导体都是通过化学掺杂而得到的。铁基超导体的母体一般在200K以下经历自旋密度波（SDW）转变：即其基态是一类巡游电子反铁磁不良导体。通过适当的元素替代可以在FeAs层产生额外的电子、空穴、巡游性或化学压力,从而有效地抑制SDW序,实现超导电性。本文侧重作者所在小组的相关研究结果,将铁基超导体中的元素替代研究分为FeAs层外和FeAs层内掺杂两大类,依次介绍和评述两年来国际上对4种主要铁基化合物中的化学掺杂研究进展。     

Spin fluctuations and unconventional superconducting pairing in iron-based superconductors

In this article, we review the recent theoretical works on the spin fluctuations and superconductivity in iron-based superconductors. Using the fluctuation exchange approximation and multi-orbital tight-binding models, we study the char- acteristics of the spin fluctuations and the symmetries of the superconducting gaps for different iron-based superconductors. We explore the systems with both electron-like and hole-like Fermi surfaces （FS） and the systems with only the electron-like FS. We argue that the spin-fluctuation theories are successful in explaining at least the essential part of the problems, indicating that the spin fluctuation is the common origin of superconductivity in iron-based superconductors.     

铁基超导中拓扑量子态研究进展

铁基超导体和拓扑量子材料是近年来凝聚态物理两个重要的前沿研究方向.铁基超导体中是否能衍生出非平庸的拓扑现象是一个非常有意义的问题.本文从晶体对称性、布里渊区高对称点附近的有效模型以及自旋轨道耦合相互作用三个方面具体分析了铁基超导的电子结构的基本特点.在此基础上,重点阐述铁基超导的正常态、临近超导的长程有序态以及超导态中非平庸的拓扑量子态是如何衍生的;具体介绍了相关的理论模型以及结果,回顾了相关的实验进展,展望了该领域的发展前景.