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.     

高温超导体的电子结构研究

高温超导的机理是凝聚态物理研究中的一个核心问题。为了揭示超导如何发生,一个直接的手段就是观测高温超导材料内部电子结构的演变。本文主要综述运用角分辨光电子能谱(ARPES)及共振X-射线散射对铜氧化物高温超导体及铁基超导体展开的研究。重点介绍对铜氧化物高温超导体Bi_2Sr_2CaCu_2O_(8+δ),YBa_2Cu_3O_(7-x)/La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_3异质结以及SrTiO_3衬底上生长的FeSe薄膜的研究。最后作者对高温超导电子结构研究的现状进行了总结与展望。     

铁基超导体的角分辨光电子能谱研究进展

最近发现的超导转变温度高达55K铁基高温超导体结束了铜氧化物在超导转变温度高于40K的领域一统天下的局面.与铜氧化物高温超导体一样,超导配对对称性对于理解这一新的体系有着重要的作用.文章利用角分辨光电子能谱实验手段,全面地研究了铁基材料的能带结构和费米面以及它们随载流子掺杂浓度变化的演化过程,发现了铁基超导体中依赖费米面的无节点的超导能隙,指出了费米面间的相互作用对超导配对起着关键作用.     

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.     

高温超导研究面临的挑战

自1986年铜氧化物高温超导体发现以来,高温超导研究取得了丰硕的成果,确定了高温超导材料的相图和超导配对的对称性,发现了赝能隙、电荷自旋分离、线性电阻、强超导位相涨落等大量新的物理现象。但是,高温超导机理依然还是一个谜,高温超导材料中发现的大量反常量子现象也不能在已有的固体量子理论的框架下得到解释。要解决高温超导问题,必须发展新的实验探测技术和新的量子多体理论及计算方法。特别是要发展能够直接调节和探测电子与固体中各种元激发相互作用的实验探测技术,从相互作用的源头来直接探测并判定高温超导电子配对的机理。     

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。     

自旋涨落与非常规超导配对

铜氧化物高温超导、铁基高温超导、重费米子超导和k-型层状有机超导等超导体的超导态都与磁性有序态相邻,且超导能隙在动量空间一般存在变号.因此,这些超导体的超导机理被认为有别于常规BCS超导中的电子交换声子导致的各向同性s-波配对.在这些非常规超导中,自旋涨落被认为是导致电子形成库珀对的主要起源之一.本文主要以铜基和铁基高温超导为例简要综述非常规超导中的自旋序和自旋涨落性质,二维哈伯徳模型中超导的起因及在解释铜基和铁基高温超导配对对称性的应用,以及与非常规超导紧密相关的中子自旋共振模性质和理论解释.我们认为,尽管磁性和超导性的相互影响已经过多年研究,但仍是当前一个富有挑战的活跃研究领域.     

中国科学技术大学高温超导物理研究新进展

在中国科学技术大学(以下简称中国科大)建校50周年之际,文章作者对近年来中国科大在高温超导物理方面的最新研究进展情况作一介绍,包括新型高温超导材料探索研究和高温超导机理实验研究.在新型高温超导材料探索研究方面,文章作者首次发现了除高温超导铜基化合物以外第一个超导温度突破麦克米兰极限(39 K)的非铜基超导体--铁基砷化物SmO1-xFxFeAs,该类材料的最高超导转变温度可达到55K;中国科大还成功地制备出大量高质量的超导化合物单晶,包括Nd2-xCexCuO4,NaxCoO2,CuxTiSe2等.在高温超导机理实验研究方面,中国科大系统地研究了SmO1-xFxFeAs体系的电输运性质给出了该体系的电子相图;发现了在电子型高温超导体中存在反常的热滞现象和电荷-自旋强烈耦合作用;在NaxCoO2体系中也开展了系列的工作,并且首次明确了电荷有序态中小自旋的磁结构问题;此外,还系统地研究了CuxTiSe2体系中电荷密度波与超导的相互关系.     

超导及其应用专题编者按

1911年荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes首次在金属汞中发现超导现象以来,超导作为人类发现的第一个宏观量子现象已经有百余年的研究历史.在这百余年的时间里,人们对传统的低温超导材料的认识及应用已经取得了巨大的成就,尤其是关于其超导机理的BCS理论的建立极大地推动了凝聚态物理的发展.在铜氧化物高温超导体发现后的近三十余年里,源于对其机理的研究开辟了基础物理新的领域,也为超导体的应用带来了新的技术.然而,非常规高温超导机理的研究和高临界参数的新超导体的探索仍面临许多挑战.     

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.     

铁基超导体中的反铁磁序和自旋动力学

类似于其他非常规超导材料,铁基高温超导电性通常出现在静态长程反铁磁序被抑制之后,并且强烈的自旋涨落始终与超导电性相伴相生,因此理解磁性相互作用是建立铁基超导微观机理的重要前提.中子散射作为研究凝聚态物质中磁性相互作用的有力工具,在揭示铁基超导电性的磁性起源方面起到了关键作用.本文系统总结了近十年来铁基超导材料的中子散射研究结果,包括铁基超导材料中的静态磁结构、磁性相变、动态磁激发、电子向列相等,并探讨它们与超导电性之间的关系.     

高压下氢基超导体的研究进展

实现室温超导一直是人们长期追寻的梦想,寻找和合成出具有室温超导性的新材料已成为 凝聚态物理学家和材料物理学家的“圣杯”。近年来,随着理论和实验相继发现超导临界温度高于 200 K 的 H3S 和 LaH10,氢基超导体已逐渐成为实现室温超导的最佳候选,成为物理学、材料科 学等多学科研究的热点领域之一。在本文中,我们将概述超导材料的发展历史和几种典型超导材 料,重点介绍当前高压下氢基超导体的研究进展及面临的挑战,详细讨论中低压力范围氢基高温 超导体的设计思路,展望氢基超导体在低压甚至常压下实现高温乃至室温的可能性。     

Fermion dynamical symmetry and strongly-correlated electrons: A comprehensive model of high-temperature superconductivity

We review application of the SU(4) model of strongly-correlated electrons to cuprate and iron-based superconductors. A minimal self-consistent generalization of BCS theory to incorporate antiferromagnetism on an equal footing with pairing and strong Coulomb repulsion is found to account systematically for the major features of high-temperature superconductivity, with microscopic details of the parent compounds entering only parametrically. This provides a systematic procedure to separate essential from peripheral, suggesting that many features exhibited by the high-T_c data set are of interest in their own right but are not central to the superconducting mechanism. More generally, we propose that the surprisingly broad range of conventional and unconventional superconducting and superfluid behavior observed across many fields of physics results from the systematic appearance of similar algebraic structures for the emergent effective Hamiltonians, even though the microscopic Hamiltonians of the corresponding parent states may differ radically from each other.     

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.     

Crossover from a pseudogap state to a superconducting state

This paper deduces that the particular electronic structure of cuprate superconductors confines Cooper pairs to be first formed in the antinodal region which is far from the Fermi surface,and these pairs are incoherent and result in the pseudogap state.With the change of doping or temperature,some pairs are formed in the nodal region which locates the Fermi surface,and these pairs are coherent and lead to superconductivity.Thus the coexistence of the pseudogap and the superconducting gap is explained when the two kinds of gaps are not all on the Fermi surface.It also shows that the symmetry of the pseudogap and the superconducting gap are determined by the electronic structure,and non-s wave symmetry gap favours the high-temperature superconductivity.Why the high-temperature superconductivity occurs in the metal region near the Mott metal-insulator transition is also explained.     

Superconductivity in octagraphene

This article reviews the basic theoretical aspects of octagraphene, an one-atom-thick allotrope of carbon, with unusual two-dimensional(2 D) Fermi nesting, hoping to contribute to the new family of quantum materials. Octagraphene has an almost strongest sp²hybrid bond similar to graphene, and has the similar electronic band structure as iron-based superconductors, which makes it possible to realize high-temperature superconductivity. We have compared various possible mechanisms of superconductivity, including the unconventional s;superconductivity driven by spin fluctuation and conventional superconductivity based on electron–phonon coupling. Theoretical studies have shown that octagraphene has relatively high structural stability. Although many 2 D carbon materials with C;carbon ring and C;carbon ring structures have been reported, it is still challenging to realize the octagraphene with pure square-octagon structure experimentally.This material holds hope to realize new 2 D high-temperature superconductivity.     

新型FeSe基超导材料研究进展

FeSe基超导体作为铁基超导材料家族的重要组成部分,已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域,对这类超导材料的探索和制备是研究其物理性质的基础.目前,对于FeSe基超导材料的探索主要集中于插层和外延单层FeSe薄膜.其中,通过插层方法获得的FeSe基超导材料具有独特的性质,且种类众多.本文介绍了近年来发现的一系列FeSe基高温超导材料,涵盖K_xFe₂Se₂,A_xNH₃FeSe,LiOHFeSe和有机分子插层FeSe等,并针对各种材料,简述了其性质及影响.     

BaCuS_2: A Superconductor with Moderate Electron-Electron Correlation

We show that the layered-structure BaCuS₂ is a moderately correlated electron system in which the electronic structure of the CuS layer bears a resemblance to those in both cuprates and iron-based superconductors.Theoretical calculations reveal that the in-plane d-p σ^*-bonding bands are isolated near the Fermi level.As the energy separation between the d and p orbitals are much smaller than those in cuprates and iron-based superconductors,BaCuS₂ is expected to be moderately correlated.We suggest that this material is an ideal system to study the competitive/collaborative nature between two distinct superconducting pairing mechanisms,namely the conventional BCS electron-phonon interaction and the electron-electron correlation,which may be helpful to establish the elusive mechanism of unconventional high-temperature superconductivity.