物理所铜氧化合高温超导体中绝缘-超导体转变研究获进展
铜氧化物高温超导体的母体是反铁磁莫特绝缘体, 高温超导电性的产生通过掺杂适当数量的载流子得以实现。介于母体和超导体之间，存在一个特殊而重要的过渡区，即所谓的重欠掺杂区域。在这个特定的区域, 少量的载流子掺杂使得三维反铁磁长程序被迅速压制，并且发生绝缘体-金属/超导体转变。这个区域的电子结构研究,对理解反铁磁莫特绝缘体如何能够演变成为 d波超导体、赝能隙的起源以及它和超导能隙的关系，以及超导电性产生的起源等问题具有重要意义。长期以来，对这个区域一直缺乏系统的角分辨光电子能谱研究。
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员和博士生彭莹莹等，与台湾“中研院”的李定国教授合作，利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，对高温超导体La-Bi2201体系在重欠掺杂区域的电子结构开展了系统和深入的研究，获得了重要结果。首先，他们生长了高质量的La-Bi2201单晶样品，通过细致的掺杂和退火处理，获得重欠掺杂区域一系列载流子浓度的La-Bi2201样品。通过输运性质测量，发现绝缘体-超导体转变发生在载流子浓度P~0.1附近(图1)。随后，通过高分辨激光角分辨光电子能谱测量，他们研究了费米面随载流子浓度的变化，发现在载流子浓度小于0.10的重欠掺杂La-Bi2201样品中，节点方向存在能隙，导致整个“费米面”都存在能隙(图2)。随着载流子浓度增加，在临界载流子浓度P~0.1处,节点区域能隙关闭。在重欠掺杂La-Bi2201样品的光电子能谱中，观察到相干峰和宽鼓包的共存(图3)。温度变化测量表明，节点能隙在比较高的温度下仍然存在(图4)。详细的动量变化测量表明，重欠掺杂区域样品中的能隙具有各向异性，符合节点方向能隙加上类似 d波的形式(图5)。
以上结果确认在重欠掺杂La-Bi2201体系中，位于载流子浓度P~0.10附近, 存在一个绝缘体—超导体转变。节点能隙逐渐变为零，三维长程反铁磁Néel温度逐渐变为零，超导电性显示(图5i)等现象都发生在这个特定的载流子浓度 P~0.10，揭示了节点能隙、反铁磁有序与高温超导的紧密关系。这些结果指出了结合电子关联效应和反铁磁相互作用，对理解重欠掺杂区域和欠掺杂区域电子结构和物性的重要性。
该研究结果发表在近期的《自然-通讯》杂志上Nature Communications(4, 2459 2013)。
此项工作得到了国家自然科学基金和科技部“973”计划的支持。
图1：La-Bi2201系列掺杂样品的电阻测量和磁测量结果。
图2：重欠掺杂La-Bi2201样品中观测到节点能隙。
图3：重欠掺杂La-Bi2201样品中节点能隙随载流子浓度的变化。
图4：节点能隙随温度的变化。
图5:能隙随动量的变化以及随载流子浓度的演变。
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