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物理所在铜氧化物高温超导体中直接观察到费米

  在物理氧化铜高温超导体中直接观察费米口袋

  近日,中科院物理研究所周兴江科研组利用超高分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱在氧化铜高温超导体电子结构上取得重要进展。他们不仅实验观察到了费米口袋的存在,而且还观察到了费米口袋和费米弧的共存。结果发表在Nature,Jianqiao Meng等人,2009年11月19日公开的Nature 462(2009)335上,并在超导领域引起了强烈的反应。 1986年铜氧化物高温超导体的发现为凝聚态物理学提出了许多基本和具有挑战性的重要问题。氧化铜高温超导体基体为反铁磁绝缘体,随着载流子的引入,它逐渐演变为金属和超导体。已经发现在掺杂少量载流子的欠掺杂区域中,高温超导体表现出的一系列奇异常态(超导Tc以上的超导温度)的性质显着偏离经典金属理论,Landau-Fermi理论。一个特别奇异的现象是在缺陷区域存在“伪空隙”。在传统的超导体中,超导间隙(打开电子对所需的能量)只有在材料进入超导状态(低于Tc)时才被导通。然而,在氧化铜高温超导体的欠掺杂区域中,尽管材料没有超导,但在Tc以上的特定温度范围内已经存在所谓的伪能隙开口。理解低掺杂区域的奇异物理特性,特别是伪隙的性质及其与超导电性的关系,对理解HTS机制起着关键作用。在高温超导体的母体欠缺之后,掺入少量的载流子掺杂区,费米面拓扑应该具有什么样的形状?这是理解高温超导体单一物理性质的最基本的问题。这也是20年来在理论和实验上争论的一个重要问题。理论上,不同的理论框架对费米面的拓扑形状给出了非常不同的预测。有人认为可能形成大的费米面,有人认为费米弧应该形成,有人认为应该形成费米口袋。在实验中,不同实验方法得到的结果也不一致。例如,一系列最近的量子振荡实验表明,未降解样品中可能存在费米口袋。作为直接测量费米面的实验手段,ARPPS的结果是支持费米弧的图像。图1.激光测量ARPES低掺杂Bi2(Sr2-xLax)CuO6(x = 0.73,Tc = 18K)样品的费米面(图1a)和相应的能带结构(图1b-f) 。图1中的主费米面LM和费米面LP。 1形成一个封闭的费米口袋。图1显示了使用真空紫外激光角分辨光电子能谱法测量的低掺杂的Bi2201高温超导体的费米面(图1a)和相应的能带结构(图1b-f)。图1除了主费米LM的强信号外,还观测到另外三米米的弱米。其中,费米面LP与主费米面LM相交,形成封闭的费米面 - 即费米口袋。通过仔细的实验​​和分析,可以排除LP费米面是由外在因素引起的可能性。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在费米口袋的观测中起着重要的作用,费米CuO6 (b).x = 0.73,Tc = 3k(a).x = 0.84,(c)x = 0.60 Tc = 26K;(d).x = 0.40,Tc = 32K。在Tc = 18K的样品中可以看到费米口袋(b),在掺杂的Tc = 3K样品中没有观察到26K的费米子口袋图2显示了4种不同掺杂的Bi2201样品的费米面测量结果,前三种样品为欠掺杂样品,超导转变温度为3K (图2a),18K(图2b)和26K(图2c),可以看出费米口袋没有出现在最好的掺杂样品中(图2d),但没有出现严重欠掺杂样品(图。图2a)。费米口袋只在欠掺杂区出现适当的掺杂范围(图2b和2c)。图3.Bi2201超导体(Tc = 18K)和共存费米口袋费米弧。图3a显示了超导费米面。图3b和3d分别显示了沿主费米表面LM和费米口袋LP的光电子谱。图3f显示了正常的费米面和相应的光电子能谱曲线(图3g-j)。一个特别独特的现象是费米口袋和费米弧的共存。图3显示了在费米面上分别在超导温度(图3的上部)和以下(图3的下部)获得的相应的FTI光谱,由此获得能隙信息。从图3c和图3e可以看出,在主费米表面LM和费米口袋LP上都形成超导温度各向异性超导能隙。然而,在超导温度以上的正常状态下, 3h和3j表明,费米口袋LP中的能隙消失,但主费米面上的能隙仅在节点区消失,节点能隙仍然存在。图3f中的实心紫色虚线圆圈显示了费米口袋LP和费米主表面LM中能隙消失的区域,可以看出,主费米表面上的无间隙区域(费米弧)的长度似乎比费米的口袋还长。这产生了一个有趣的费米口袋(由无间隙LP和部分无间隙LM形成的闭合间隙费米面)和费米弧(主要费米LM上的无间隙面积)共存的有趣现象。实验观察到的费米口袋是孔型,其面积对应于样品的掺杂浓度(图2i)。这些结果与布里渊区中费米口袋的位置(图2i)以及独特的掺杂演变(图2)相结合,为通过检查各种不同的掺杂元素在欠掺杂区域中确定费米面的形状提供了基础现有的理论重要信息。一些实验观察到的费米口袋机制的形成明显不一致。基于P.W.Anderson最初提出的共振价键理论(RVB)的现象学理论,在几个重要方面观察到的费米口袋相互吻合,但仍存在不一致。费米口袋和费米弧在正常状态下共存是一种全新的情况,目前还没有被理论预测。因此,本研究的结果对于理解高温超导体奇异常态的性质,对于测试和建立新的理论是重要的促进作用。相关工作已经由科学院,基金委和科技部项目资助。
 

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