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κ-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...     

铁基超导的前世今生

高温超导机理被誉为凝聚态物理学前沿研究皇冠上的明珠,铁基超导的发现和研究极大地促进了人们对高温超导电性的理解。文章将简要回顾超导研究的历史和基本概念,介绍铜基高温超导研究的现状及困难,详述铁基超导的发现及其在高温超导研究中的关键桥梁作用,着重介绍中国科学家在铁基超导洪流中做出的重要贡献。     

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.     

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.     

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.     

铁基高温超导体的超导能隙和自旋涨落:核磁共振研究

文章介绍了利用核磁共振法对铁基高温超导体的研究结果.笔者研究组断定铁基超导是自旋单态配对,并首先发现超导多能隙的存在.正常态的反铁磁自旋涨落在自旋空间是各向异性的,它与超导的关系,是人们关心的热点之一.     

非常规超导体的中子散射研究

非常规超导机理仍然是一个未解之谜,它是凝聚态物理研究的重要课题。非常规超导电性大多发生在磁不稳态附近,所以确定非常规超导体的磁结构和磁激发行为对理解其超导机制非常关键。中子带有磁矩,是探测超导体磁性的有力工具。文章将以本课题组近年来开展的工作为例,介绍几种中子散射技术在研究非常规超导体的晶体结构和磁关联行为以及超导配对对称性方面的应用。     

封面故事

铁基超导体与拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点。铁基超导体是非常规超导体,不同于传统的电声耦合机制的BCS超导体,其超导配对机制的解释仍然是凝聚态物理理论的一个难点。在拓扑绝缘体这类材料中,由于能带的反转,体态仍然保持绝缘态,但是在表面或者边界上存在着导电的金属态。超导体与拓扑绝缘体的结合被认为是实现拓扑超导体和Majorana费米子的一个非常有希望     

高压下的铁基超导体:现象与物理

始于2008年的铁基超导体研究续写了高温超导发展史的新篇章.回顾过去十年对铁基超导体的研究,在理论、实验及应用方面都取得了辉煌的成绩,丰富了人们对高温超导电性的认识,为突破高温超导机理研究、最终实现超导材料的人工设计与更广泛的应用奠定了坚实的基础.本文主要介绍了通过高压实验研究手段在铁基超导体的研究中取得的一些重要进展及呈现出的新现象和新物理,例如压致超导现象、压力导致的超导再进入现象、压力对超导转变温度的提升效应、压力研究对铁基超导体超导转变温度的预测、相分离结构对超导电性的影响及反铁磁-超导双临界点的发现等.希望这些高压研究结果与本文报道的其他各类实验与理论研究成果一起,为全面、深入地理解铁基超导体勾画出一幅较为完整的物理图像.     

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.     

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.     

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.     

第一原理计算在铁(镍)基超导体中的应用

铁(镍)基超导体的发现引起了凝聚态物理界的广泛兴趣和关注.第一原理计算以其快速、准确等优点在铁(镍)基超导研究过程中做出了巨大贡献.文章主要介绍了第一原理计算在该研究领域所取得的成果,其中包括电子结构计算,磁性基态的寻找和解释,声子谱和电声子耦合,以及关联效应在该类材料中的作用等.文章还简略介绍了目前的研究现状以及存在的问题,分析了未来的研究方向和可能的解决办法.     

“111”型铁基超导材料研究进展

“111”型铁基超导体系包含LiFeAs,NaFeAs和LiFeP三个组员.这三个组员的晶体结构简单,具有非极性解离面等特点,在铁基超导物理机理研究中发挥着独特的作用.本文简要介绍“111”型铁基超导体的研究进展.     

铁基超导体系基于电子关联强度的统一相图

铁基超导和铜基超导具有诸多相似性,这为建立统一的高温超导机理图像提供了可能性.然而,对铁基超导体系中无论是进行电荷掺杂、还是等价掺杂来改变化学压力,都能产生定性上类似、而细节上纷繁复杂的相图,这对建立统一的图像造成了困难.研究化学掺杂效应如何在微观上影响电子结构和超导电性,区分主导超导电性演化的主要因素和次要因素,对建立统一图像和揭示高温超导机理至关重要.本文综述了对铁基超导体系中化学掺杂效应的一系列角分辨光电子能谱研究,涵盖了基于FeAs和FeSe面的多种代表性铁基超导体系,包括异价掺杂、等价掺杂、在元胞不同位置的化学掺杂,及其对电子体系在费米面结构、杂质散射、电子关联强度等方面的影响.实验结果表明：电子关联性或能带宽度是多个铁基超导相图背后的普适参数,不同的晶格和杂质散射效应导致了并不重要的复杂细节,而费米面拓扑结构与超导电性的关联并不强.这些结果对弱耦合机理图像提出了挑战,并促使人们通过局域反铁磁交换作用配对图像在带宽演化层面上统一地理解铁基超导.     

新型磁屏蔽感应型超导故障限流器的研究

在研究磁屏蔽感应型超导故障限流器原理的基础上,提出了一种新型磁屏蔽感应型高温超导故障限流器,它主要由一次超导绕组、二次超导圆柱形屏蔽筒、铁芯和液氮冷冻箱组成,其工作原理是利用超导绕组和超导筒从超导态转变到正常态时其阻抗的快速上升而限流,对应用于三相系统的新型磁屏蔽感应型超导故障限流器进行了仿真研究,它能显著地减少暂态及稳态的故障电流,有效地提高电力系统的稳定性.     

铜氧超导电声耦合失效及强关联耦合实验证据

铜氧高温超导丰富的物理属性使BCS理论遇到严峻挑战.一系列关于电子及空穴载流子的理论和实验研究结果显示,"电声耦合"在铜氧超导电性中失效.如铜氧超导的转变温度Tc与价电子密度之间构成非单调"钟形"曲线分布,而"电声耦合"下两者之间则表现为单调指数关系.同时,Hall效应实验揭示Tc与空穴载流子浓度的关系也为"钟形"轮廓.两类实验结果一致表明,无论是空穴配对还是电子配对,铜氧超导Cooper对配对机制不符合"电声耦合"特征.另外,关于铜氧超导拆对能隙的研究,目前已获得丰富的实验结果,飞秒激光和光子反射谱测量显示,拆对能隙分别达到1.5eV左右及1.2~2.1eV,只有电耦合才能达到如此大的耦合强度.因此,电耦合的"激子"可能是建立铜氧超导微观机制的合理途径.Ginzburg早年设想的高温超导激子模式或许在铜氧化合物中实现.     

铜氧超导电声耦合失效及强关联耦合实验证据

铜氧高温超导丰富的物理属性使BCS理论遇到严峻挑战.一系列关于电子及空穴载流子的理论和实验研究结果显示,"电声耦合"在铜氧超导电性中失效.如铜氧超导的转变温度Tc与价电子密度之间构成非单调"钟形"曲线分布,而"电声耦合"下两者之间则表现为单调指数关系.同时,Hall效应实验揭示Tc与空穴载流子浓度的关系也为"钟形"轮廓.两类实验结果一致表明,无论是空穴配对还是电子配对,铜氧超导Cooper对配对机制不符合"电声耦合"特征.另外,关于铜氧超导拆对能隙的研究,目前已获得丰富的实验结果,飞秒激光和光子反射谱测量显示,拆对能隙分别达到1.5eV左右及1.2~2.1eV,只有电耦合才能达到如此大的耦合强度.因此,电耦合的"激子"可能是建立铜氧超导微观机制的合理途径.Ginzburg早年设想的高温超导激子模式或许在铜氧化合物中实现.     

铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模

作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体,具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注.由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质,拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难,为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向.时至今日,人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM.实验发现,铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰,具有很好的应用前景.拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一.本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展.在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上,本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为;借助波函数、准粒子中毒等实验,解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制;结合现有马约拉纳理论,深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量.最后,本文采用"从量子物理到量子工程"的视角,综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性,为未来潜在的工程应用提供有益指导.本文以物理原理为线,注重理论与实验结合,旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁,帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.     

“111”铁基超导体系的发现及压力效应研究

2008年发现的铁基超导体引发了全球超导研究的热潮。在本研究小组发现的铁基“111”体系的基础上,重点介绍“111”体系铁基超导体的压力效应,包括:“111”体系的3个组元LiFeAs、LiFeP、NaFeAs的超导转变随压力的演化;运用压力调控,获得“111”体系的最高超导转变温度;结合同步辐射技术,发现压力调控的“111”型铁基超导体的等结构演化以及对超导起关键作用的As-Fe-As键长和键角与超导转变温度的关联。