作者:周兴江等 来源:《自然》 发布时间:2009-12-16 10:04:31
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高温超导体研究获得新进展
 
1986年铜氧化物高温超导体的发现,对凝聚态物理提出了许多根本性而又极具挑战性的重要问题。铜氧化合物高温超导体的母体为反铁磁绝缘体, 随着载流子的引入,它逐渐演变为金属和超导体。研究发现, 在掺入少量载流子的欠掺杂区域,高温超导体表现出的一系列奇异的正常态(超导温度Tc以上)性质,明显偏离经典的金属理论--朗道费米液体理论。一个尤为奇异的现象是在欠掺杂区域”赝能隙”的存在。在传统超导体中,超导能隙(打开电子对所需要的能量)只有在材料进入超导态(Tc以下)才打开。但在铜氧化物高温超导体的欠掺杂区域,在Tc以上一定的温度范围,尽管材料还没有超导,已经有所谓的赝能隙打开。理解欠掺杂区域的奇异物性,特别是赝能隙的本质及其与超导电性的关系,对理解高温超导机理具有关键的作用。
 
高温超导体的母体在掺入少量载流子后的欠掺杂区域,费米面应具有什么样的拓扑形状?这是理解高温超导体奇异物性的最基本的问题, 也是20多年来在理论和实验两方面一直争议不断的重要问题。在理论上,不同的理论框架对费米面的拓扑形状给出截然不同的预言。如有的认为可能形成大的费米面,有的认为应该形成费米弧 (Fermi arc), 有的则认为应该形成费米口袋(Fermi pocket). 在实验上,不同的实验方法得到的结果也不一致。如近期的一系列量子振荡实验,表明在欠掺杂样品中可能存在费米口袋. 角分辨光电子能谱(ARPES)作为对费米面能够进行直接测量的实验手段,得到的结果都是支持费米弧的图像。
 
中科院物理所周兴江研究小组,利用超高分辨率的真空紫外激光角分辨光电子能谱,在对铜氧化物高温超导体的电子结构研究中,取得重要进展。他们在实验上不仅直接观察到费米口袋的存在,而且观察到费米口袋和费米弧的共存。相关结果发表在2009年11月19日出版的Nature上 (Jianqiao Meng et al., Nature 462(2009)335), 在超导领域引起强烈反响。
 

图1. 激光角分辨光电子能谱测量的欠掺杂Bi2(Sr2-xLax)CuO6 (x=0.73, Tc=18K) 样品的费米面(图1a)和对应的能带结构(图1b-f)。 图1中的主费米面LM和费米面LP形成一个闭合的费米口袋(Fermi pocket).
 
图1显示的是采用真空紫外激光角分辨光电子能谱测得的欠掺杂Bi2201高温超导体的费米面(图1a) 及相应的能带结构(图1b-f)。 图1中除了强信号的主费米面LM外,还观察到另外3个弱费米面。其中,费米面LP与主费米面LM相交,形成一个封闭的费米面--即费米口袋。通过仔细的实验和分析,可以排除LP费米面是由非本征因素引起的可能性。 而且LP的信号强度不到主费米面LM的1/20。 因此,真空紫外激光角分辨光电子能谱仪的高精度和高数据质量,对能观察到费米口袋起着重要的作用。
 

图2. Bi2(Sr2-xLax)CuO6样品的费米面随掺杂的演变: (a). x=0.84, Tc=3k; (b). x=0.73, Tc=18K; (c). x=0.60, Tc=26K; (d). x=0.40, Tc=32K. 在Tc=18K(b)和26K(c)的样品中可以看到费米口袋,但在重欠掺杂的Tc=3K样品(a)和在最佳掺杂的Tc=32K样品(d)中则没有观察到费米口袋。
 
费米口袋表现出特别的掺杂依赖关系。图2显示的是4种不同掺杂的Bi2201样品测得的费米面。其中前3个样品为欠掺杂样品,超导转变温度分别为3K(图2a),18K (图2b)和26K(图2c),第4个样品为最佳掺杂(图2d)。可以看出,费米口袋在最佳掺杂样品中没有出现(图2d),而在重欠掺杂的样品中也没有观察到(图2a)。费米口袋只在欠掺杂区域,适当的掺杂范围才出现 (图2b和2c)。
 

图3.Bi2201超导体(Tc=18K)中费米口袋和费米弧的共存。图3a显示的是超导态的费米面。图3 b和3d则分别显示的是沿着主费米面LM和费米口袋LP上的光电子能谱曲线。图3f显示的是正常态的费米面及相应的光电子能谱曲线(图3g-j)。
 
一个尤为独特的现象是费米口袋和费米弧的共存。图3显示的是在超导温度以上(图3上半部分)和以下((图3下半部分)分别测得的费米面以及费米面上对应的光电子能谱曲线,由此可以获得能隙的信息。由图3c和3e可以看出,在超导温度以下,主费米面LM和费米口袋LP上都形成了各向异性的超导能隙。但在超导温度以上的正常态,由图3h和3j可以看出,费米口袋LP上的能隙已消失,但主费米面LM只在节点区域的能隙消失,而在远离节点靠近反节点区域能隙依然存在。图3f中以紫色实心圆点表示在费米口袋LP和主费米面LM上能隙消失的区域, 由此可以看出,主费米面上的无能隙区域(费米弧)的长度,看来要比费米口袋长。这就形成了一个有趣的费米口袋(无能隙LP和部分无能隙LM形成的封闭费米面)和费米弧(主费米面LM上的无能隙区域)共存的现象。
 
实验观察到的费米口袋为空穴型, 它的面积大小与样品的掺杂浓度相对应(图2i)。这些结果,加上费米口袋在布里渊区中的位置(图2i)以及独特的掺杂演变(图2),对确立欠掺杂区域费米面的形状,检验已有的各种理论提供了重要的信息。对实验观察到的费米口袋的形成机理,有些理论显然不符。基于P. W. Anderson最初提出的共振价键理论(RVB)的唯象理论,在几个重要的方面和实验观察到的费米口袋符合较好,但仍有不一致之处。 在正常态费米口袋和费米弧的共存,则是目前理论完全没有预计到的新的情形。因此,该研究结果, 对理解高温超导体奇异正常态的的性质,检验和建立新的理论,具有重要的推动作用。
 
相关工作得到科学院,基金委和科技部项目的资助。(来源:中国科学院物理研究所)
 
 
 
 
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