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中国科学院物理研究所 SC3组供稿 第49期 2013年09月18日
北京凝聚态物理国家实验室
物理所铁基超导体电荷动力学研究取得新进展
    在过去几十年中,电阻对温度的线性依赖行为在很多强关联电子体系中被发现,特别是在反铁磁量子临界点附近,明显偏离了正常金属的费米液体行为。许多实验证据表明,反铁磁量子临界点附近的自旋涨落改变了准粒子的散射过程,从而产生非费米液体行为。同时,这种自旋涨落也可能是高温超导的配对机制。
    在新发现的铁基超导体中寻找电阻对温度的线性依赖行为具有重大意义,因为在这类材料中,超导电性出现在自旋密度波反铁磁边界。然而,铁基超导体的多带特征使得其输运特性变得非常复杂,电阻率对温度的线性依赖行为究竟是源于量子临界点附近的自旋涨落,还是材料本身的多带效应引起了极大争议。
    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邱祥冈研究员和博士生戴耀民,许兵等,和法国皮埃尔与玛丽居里大学,以及美国布鲁克海文国家实验室合作,利用红外光谱的手段对以上问题进行了深入研究。他们详细研究了最佳掺杂K-Ba122铁基超导材料红外光电导的温度依赖,发现Ba0.6K0.4Fe2As2红外光电导谱可以分解为一个宽的和一个窄的Drude响应(图1和图2),说明这个体系中存在两种不同类型的载流子,并且两种载流子具有不同的散射率。进一步温度依赖研究发现,宽的Drude具有较大散射率,并且不随温度变化,窄的Drude具有较小散射率,且随温度的降低呈线性减小,从而导致窄的Drude所产生的等效电阻率也随温度的降低线性减小(图3)。通过光电导谱重分析,他们发现低频光电导谱重随温度的依赖满足arctan(T)行为(图4),也证明在Ba0.6K0.4Fe2As2中存在随温度线性变化的散射率。而这个随温度线性变化的散射率以及相应的等效电阻率,在电阻率曲线上被多带效应所掩盖,表现出高温区电阻率趋向饱和的性质。
    此项研究首次利用红外的手段研究两类载流子的温度依赖行为,解决了电阻率对温度的线性依赖行为究竟是源于量子临界点附近的自旋涨落,还是材料本身的多带效应的争议,解释了Ba0.6K0.4Fe2As2电阻率曲线高温区域趋向饱和的现象,为铁基超导相图中存在量子临界点提供了证据。该研究结果发表在近期的《物理评论快报》上【Phys. Rev. Lett. 111, 117001 (2013)】。此项工作得到国家自然科学基金和科技部973计划的支持。
图1不同温度下的红外光电导曲线
图2 光电导曲线可以分解为一个宽的Drude, 一个窄的Drude (分别代表两种具有不同散射率的载流子), 和Lorentz项 (表示带间跃迁)。
图3 两个Drude的温度依赖。(b)和(d)两个面板分别是散射率和等效电阻对温度的依赖关系,其中的两条黑色虚线是线性拟合的结果。
图4 低频光电导谱权重随温度的变化曲线。3个不同截止频率对应的曲线都满足arctan(T)的关系。
下载附件>> PhysRevLett.111.117001(1).pdf
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