铁基高温超导体电子结构与超导能隙研究取得新进展

2011-5-07 00:30 来源: 中国科学院
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  2008年发现的铁基超导体其超导转变温度最高可达55K,是继1986年发现的铜氧化物高温超导体之后发现的第二类新的高温超导体系。它的发现,为高温超导电性的研究开辟了一个新的方向。与铜氧化物高温超导体的研究类似,铁基超导体研究的核心问题是理解其高温超导电性产生的机理。对材料电子结构的研究是理解材料的宏观物理性质尤其是超导电性的关键。角分辨光电子能谱技术则是探测材料电子结构的最直接和最有力的实验手段。

  中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室周兴江研究组和其他研究组合作,利用自主研制的高分辨率角分辨光电子能谱系统,对铁基超导体的电子结构及超导能隙对称性展开了一系列研究,取得了一些重要进展。

  铁基超导体发现后不久,他们率先研究了铁基超导体的能带结构和费米面。在角分辨光电子能谱对(Sr,K)Fe2As2 超导体的测量中[Haiyun Liu et al., Phys. Rev. B 78, 184514(2008)],他们最早报道了铁基超导体的能带结构具有重整化效应,即实验测量的能带宽度与能带计算的结果相比表现出2~3倍的变窄。同时,他们还首先观察到了在M点附近出现的奇特的费米面拓扑形状,存在两个类似于狄拉克椎(Dirac cone-like)结构的亮点(strong spots)。这些结果,不能用简单的能带计算来描述和理解。

  超导电性是基于两个电子形成库伯对来实现的,超导能隙的对称性对建立超导微观机理具有至关重要的作用。周兴江研究组与其他研究组合作,最先报道了铁基超导体的能隙结构。他们通过对最佳掺杂(Ba0.6K0.4)Fe2As2超导体的电子结构和能隙的测量[Lin Zhao et al., Chin. Phys. Lett. 25, 4402(2008)],发现超导能隙在费米面上基本上表现为各向同性,未观测到节点(超导能隙为零)的存在。并且,超导能隙和费米面相关,不同的费米面表现出不同大小的超导能隙。这些结果表明,铁基超导体的超导能隙与各向同性的s波一致,为铁基超导体超导对称性的确定提供了重要信息。

  铁基超导体的母体为反铁磁金属,超导电性是通过在母体中掺入载流子(电子或空穴)或施加外压力使反铁磁被抑制而实现。因此,研究从反铁磁母体到超导体的演变,以及反铁磁和超导的关系,对理解超导机理具有重要意义。周兴江研究组与其他研究组合作,对铁基超导体122系列的母体BaFe2As2进行研究[Guodong Liu et al., Phys. Rev. B 80, 134519 (2009)]。他们发现,在磁转变/结构转变前后, BaFe2As2的电子结构不是表现为简单的能带折叠(folding), 而是表现为剧烈的电子结构重组(reorganization),而且在磁有序态没有发现能隙的打开。由此他们明确地提出,BaFe2As2中的磁转变与通常的自旋密度波形成有显著的区别。在对铁基超导体1111系列母体CeFeAsO的研究中[Haiyun Liu et al., Phys. Rev. Lett. 105, 027001 (2010)],他们首次发现围绕布里渊区中心存在一个大的空穴型费米面,而能带结构计算没有预言此费米面的存在,表明在铁基超导1111体系中可能存在表面态。此外,在铁基超导体的母体中还第一次观察到色散扭折 (Kink)。

  2010年,铁基超导体AxFe2-ySe2(A=K,Tl,Cs,Rb,等)的发现,掀起了铁基超导体研究的一个新的热潮,也对人们在研究其它铁基超导体系列中形成的一些重要观念提出了挑战。在此之前,其它铁基超导体在布里渊区中心点普遍存在空穴型费米面。电子在这些点附近的空穴型费米面与M点附近的电子型费米面之间的散射, 以及费米面之间的嵌套结构(nesting),被广泛认为是铁基超导体中形成s+-超导配对的原因。AxFe2-ySe2的发现对这一观点提出了强烈的质疑。这是因为,尽管它的超导转变温度达30K以上,能带结构计算却表明, 在布里渊区中心不再具有空穴型的费米面,所以也就不存在费米面的嵌套以及电子在空穴型费米面与电子型费米面之间的散射。对这类新的铁基超导体的电子结构和超导能隙的研究,无疑将对完整理解铁基超导体的超导机理,提供重要的信息。

  周兴江研究组和其他研究组合作,迅速开展了对AxFe2-ySe2超导体的角分辨光电子谱研究。在转变温度为32K的Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2的超导样品中,发现在围绕布里渊区中心Γ点的确不存在空穴型费米面。更重要的是,他们首次观察到了围绕Γ点的两个电子型的费米面,这不同于能带理论预测以及部分实验测量得到的没有或只有一个费米面的情形,为完整认识AxFe2-ySe2的电子结构提供了重要的实验依据。进一步的超导能隙测量结果表明,围绕Γ点的外层电子型费米面及围绕M点的电子型费米面都无能隙节点存在,具有接近各向同性的超导能隙,表明超导配对对称性倾向于s波。这些结果为铁基高温超导体机理的建立提供了重要信息,相关文章发表在近期物理评论快报上[Daixiang Mou et al., Phys. Rev. Lett. 106, 107001 (2011)],并被选为”编辑推荐”论文。

  紧接着,他们在对K0.68Fe1.79Se2和Tl0.45K0.34Fe1.84Se2超导体的高分辨光电子能谱的研究中[Lin Zhao et al., Phys. Rev. B 83, 140508(R) (2011)],发现它们与Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2具有类似的费米面拓扑结构,即在布里渊区中心Γ点存在两个电子型的费米面。这不仅统一了不同研究组在AxFe2-ySe2体系的费米面测量上的分歧,而且建立了AxFe2-ySe2系列中电子结构的共性。同时,通过对K0.68Fe1.79Se2和Tl0.45K0.34Fe1.84Se2超导体的超导能隙的测量,也建立了AxFe2-ySe2系列超导体具有无节点各向同性超导能隙的一个普适的图像。

  以上工作得到了科技部973项目和国家自然科学基金委的资助。

图1:Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2的费米面拓扑结构。

图2:Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2的能带结构。

图3:Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2的能带结构和超导能隙随温度的变化关系。

图4:Tl0.58Rb0.42Fe1.72Se2超导能隙的动量依赖关系。