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中国科学院物理研究所 EX7组供稿 第5期 2012年02月14日
北京凝聚态物理国家实验室
欠掺杂铁基超导体角分辨光电子能谱研究的最新进展
   高温超导机理一直以来都是凝聚态物理中的一个重要的悬而未决的难题。2008年发现的铁基高温超导体,作为一个独立于铜氧化物高温超导体以外的一类新高温超导体,为我们提供了一个新的平台去研究高温超导机理。两类超导体之间是否存在共性?还是他们完全是不一样的体系?这些共性或者特异性到底是如何影响超导电性的?这一系列的问题很快就引起了研究者的广泛兴趣。在过去对铜氧化合物超导体的研究过程中,存在于欠掺杂样品中的赝能隙一直是研究理解超导特性的核心课题之一。而对于其中的超导电性、反铁磁性和赝能隙之间的相互关系至今还存在着争议。因此,对具有相似相图的铁基超导体进行类似课题的研究就成为研究者的共同目标。
   最近,中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室EX7研究组丁洪研究员,联合EX1研究组王楠林研究员、超导实验室SC8研究组的戴鹏程研究员、南京大学闻海虎教授和日本东北大学高桥隆教授,利用角分辨光电子能谱技术,首次对空穴型欠掺杂铁基超导样品(Ba0.75K0.25Fe2As2)进行了一系列仔细而深入的研究,并取得了重要结果【Nature Communications 2, 392 (2011)】。
   首先,丁洪研究员所带领的团队发现,类似于最佳掺杂样品的依赖费米面的无节点的超导能隙同样存在于欠掺杂样品中,只是随着掺杂空穴的减少,能隙的大小也相应地变小。有趣的是,通过对不同掺杂量的欠掺杂样品结果的分析,他们发现在从欠掺杂到最佳掺杂的过渡中,能隙的大小和超导的转变温度成线性关系(如左图中插图所示)。超导配对强度(2Δ/kBTC)在不同费米面上不同,而不随掺杂量改变,是决定超导转变温度的核心要素。
   通过对能谱的进一步分析,丁洪研究员的团队发现,除了超导能隙之外,还有一个大小约为18 meV的赝能隙存在于内圈的空穴型费米面(α)和电子型费米面上,且这两个费米面之间存在反铁磁波矢相连的带间散射(antiferromagnetic interband scatterings)。其对应的准粒子峰在能谱上显示出明显的减弱。在没有带间散射的外圈空穴型费米面(β)上则不存在类似的赝能隙,准粒子峰也不存在明显减弱。值得注意的是,在欠掺杂铜氧超导体中的赝能隙也只存在于有反铁磁波矢相连的带间散射的反节点处,准粒子峰也存在明显的减弱;与此相反,在节点处既没有赝能隙,也没有准粒子峰的减弱。这种在两类超导体中存在的赝能隙二分性 (dichotomy)说明了反铁磁涨落有可能是形成赝能隙的决定性因素。
   值得一提的是,在存在赝能隙的费米面上,即显示反铁磁波矢相连的带间散射的费米面上,超导配对强度同样也很强(~7),而没有赝能隙的费米面上,超导配对强度很接近经典BCS值。这表明反铁磁涨落同样可能是超导配对的驱动力。这一结果与早先洪研究员对最佳掺杂空穴型铁基超导体(Ba0.6K0.4Fe2As2)超导能隙的三维性研究的结论一致【Nature Physics 7, 198 (2011) 】。空穴型费米面上的超导能隙沿着z方向有着显著的周期变化,而电子型费米面的能隙则基本不变(如右图所示)。他们发现从近邻-次近邻理论出发,考虑层间和面间两类配对,从而推导出的s波能隙方程可以很好地解释所有观测到的超导能隙,证明此类超导体在z方向上不存在能隙节点,也表明短程的反铁磁涨落可能是导致超导电性的重要决定因素。
   以上工作得到了物理所戴希和方忠研究员,美国普渡大学胡江平教授以及美国波士顿学院汪自强教授在理论上的有力支持。工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的资金资助。
   相关文献:
   (1) “Fermi surface dichotomy of the superconducting gap and pseudogap in underdoped pnictides”, Nature Communications 2, 392 (2011).
   (2)“Observation of a ubiquitous three-dimensional superconducting gap function in optimally doped Ba0.6K0.4Fe2As2”, Nature Physics 7, 198 (2011).
左图:空穴型铁基超导体Ba1-xKxFe2As2的示意相图,其中PG表明可能存在于在欠掺杂范围的赝能隙区域。插图显示了从欠掺杂到最佳掺杂区域里超导能隙与超导转变温度间的线性关系。
右图:空穴型最佳掺杂Ba0.6K0.4Fe2As2样品中超导能隙在三维费米面上的分布。
下载附件>> Fermi surface dichotomy of the superconducting gap and pseudogap in underdoped pnictides
下载附件>> Observation of a ubiquitous three-dimensional superconducting gap function in optimally doped Ba0.6K0.4Fe2As2
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