物理所铁基超导体电荷动力学研究取得新进展

2010-9-06 12:00 来源: 中国科学院
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  铁基超导体是凝聚态物理的前沿热点领域之一。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)王楠林研究员领导的小组在铁基超导体的母体和超导样品的电荷动力学方面继续进行深入研究,取得新的进展。

  铁基超导体的一个主要特征是存在磁性与超导电性的竞争,当长程磁有序被一定程度抑制之后,出现超导电性。普遍认为,超导电性与磁性涨落密切相关,但对于磁有序的起源却有不同认识。铁基超导体母体的磁性最先被认为是由费米面叠套(nesting)驱动的自旋密度波有序态,但很快出现另外一种观点,即认为磁有序可能来自于局域自旋的反铁磁超交换相互作用。两种图像到底哪一个更合适,成为铁基超导研究领域有争议的一个主要议题,也涉及到认识铁基超导电性的出发点。在过去两年,王楠林小组通过对铁基超导体几个典型系统电荷动力学的深入研究,指出这两种效应均存在于铁基超导体系统之中,但对不同系统这两种相互作用对磁长程有序起的支配作用不同。

  铁基超导体母体BaFe2As2和SrFe2As2分别在138K与200K发生磁性(并且同时伴随结构)相变,低温下进入反铁磁有序状态。该研究组在2008年进行的E//ab面光谱实验表明,上述磁有序相变伴随着费米面上能隙的打开,导致载流子数目与寿命的急剧变化。实验结果支持费米面叠套效应驱动的自旋密度波相变。特别是实验观察到两个不同大小的能隙特征,自然与体系存在多个费米面联系在一起【Phys.Rev.Lett. 101, 107004 (2008)】。

  最近,该小组进一步研究了E//c轴的光反射谱。研究组的谌志国等博士生生长了c方向足够厚的BaFe2As2和SrFe2As2单晶样品并进行了c方向偏振的光反射谱测量,与ab面内的测量相比较,发现只有能量尺度较小的能隙可以清晰地观察到,而能量尺度较大的能隙特征则几乎消失。他们与戴希、方忠等理论研究人员合作对两个能隙的起源进行了深入分析,指认较大的能隙是由于二维柱状空穴型与电子型费米面间存在(π,π)波矢的叠套引起的,是驱动自旋密度波发生的原因。由于二维柱状费米面上电子的费米速度沿c方向分量很小,这些费米面上打开的能隙只能在ab平面清楚观察到。而小的能隙是由于产生自旋密度波后新的磁布里渊区跨过三维大费米面,在相交区域三维的大费米面上打开的,因而可在不同方向观察到,可以认为是形成自旋密度波的后果【Phys.Rev.Lett. 105, 097003 (2010)】。该实验进一步揭示,在122结构体系中电子巡游性在磁有序起源起支配作用,为认识铁基超导体系超导电性起源提供了依据。

  铁基超导体中1111结构体系大尺寸单晶很难生长。美国Ames实验室首先取得突破,报道用NaAs作为助溶剂能够生长出毫米尺寸的1111体系单晶。其后王楠林研究组的谌志国、董涛等迅速生长了LaFeAsO和其它稀土替代的1111体系毫米尺寸单晶样品,研究了其光学性质。他们由实验测量估算了ab平面内的等离子体频率,通过与密度泛函计算比较,揭示体系存在较强的关联效应【Phys. Rev. B 81, 100502(R) (2010)】。他们进一步研究了结构相变与磁相变的关系,发现磁有序状态下的部分能隙打开特征在结构相变发生后已经出现,表明结构相变之后的电子状态与磁有序态已基本相同。他们还研究了稀土离子替代对ab面内红外声子的影响,发现面内的声子频率朝高频方向系统移动,表明其键合强度显著增强。另外发现声子具有非对称Fano效应,揭示体系存在电声子相互作用。他们还纠正了先前文献中对面内红外声子的错误指认【Phys. Rev. B 82, 054522 (2010)】。

  超快光谱是研究载流子驰豫动力学的重要手段,能够对超导电性机制提供有用信息。泵浦-探测是研究超快过程的主要实验技术。实验上,第一个强激发脉冲(泵浦)引起准粒子激发,同时决定时间零点。然后用较弱的探测光在一段延迟时间之后,测量准粒子激发状态变化所引起的光反射率之改变。对于超导体,高能量的光子会拆散库伯对,形成高能的准粒子。这些准粒子很快通过电子-电子、电子-声子散射弛豫成低能准粒子,低能准粒子重新复合,形成Cooper对,同时放出声子,这些声子又会拆散其他的Cooper对,直至声子通过周围环境弛豫或非谐振效应使能量小于能隙。王楠林小组与美国Los Alamos国家实验室和MIT两个研究组合作,利用超快光谱研究了(Ba,K)Fe2As2超导体的准粒子弛豫过程。发现对欠掺杂样品同时存在自旋密度波有序和超导相变,它们之间相互竞争;而在温度降至60K附近,SDW有序被压制,准粒子弛豫呈现反常,表现出新的有序态,分析表明这一反常的弛豫过程可能是未相干的配对电子所形成【Phys. Rev. Lett. 104, 027003 (2010)】。对最佳掺杂的(Ba,K)Fe2As2样品进行研究,发现光激发的准粒子存在两种不同的弛豫超快动力学过程。准粒子的热弛豫率表现出随温度的平方关系而不是s波超导体的指数衰减,从而揭示出超导态能隙函数应该具有节点,能隙不完全是各向同性地打开【Phys. Rev. Lett. 105, 027005 (2010)】。

  上述研究得到中国科学院、基金委和科技部相关项目的资助。