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中国科学院物理研究所 SC7组供稿 第12期 2016年03月28日
北京凝聚态物理国家实验室
真空紫外激光角分辨光电子能谱在铜氧化物高温超导体超导配对机理研究中取得重要进展
  BCS超导理论对金属或合金等传统超导体的超导机理给出了完美的解释。对BCS超导理论决定性的实验验证,特别是揭示传统超导体中电子配对是通过交换声子作为媒介而实现,则来自于隧道能谱实验对超导配对关联谱函数的确定。超导配对关联谱函数提供了指认导致电子配对的相互作用或媒介的关键指纹特征,其实验确定成为理解超导机理的关键。铜氧化物高温超导体的高临界超导温度及d波配对对称性等奇异特性,对传统的BCS超导理论提出了挑战。经过近三十年的大量理论和实验研究,铜氧化物高温超导体的超导机理仍然没有形成共识。由于铜氧化物高温超导体具有强烈各向异性的电子结构和d波超导能隙,依靠传统的隧道能谱实验来获取超导配对关联谱函数的方法不再简单适用。角分辨光电子能谱技术因为具有直接分辨动量的能力,被认为是最有希望在铜氧化物高温超导体中获得超导配对关联谱函数的新的首选手段。长期以来,这项工作因面临两方面的挑战而难以开展,一是角分辨光电子能谱的测量必须满足极为严苛的超高精度的要求,二是必须发展通过角分辨光电子能谱数据解析出d波超导体中超导配对关联谱函数的相关理论及数值分析方法。
  中国科学院物理研究所/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的JinMo Bok博士、俞理副研究员及张文涛、何俊锋和张玉晓等,与美国加州大学Riverside分校的 Chandra Varma教授和韩国成均馆大学的Han-Yong Choi教授等合作,利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱具有超高精度的优势,发展了相关的理论和数值分析方法,经过近七年的努力和积累,第一次成功解析出铜氧化物高温超导体的配对关联谱函数,在理解高温超导体的电子配对机理方面取得重要进展。
  真空紫外激光角分辨光电子能谱系统的使用,为铜氧化物高温超导体Bi2212在不同温度和不同动量空间获得超高精度的系统测量提供了可能(图1)。通过d波超导态格林函数对角分辨光电子能谱数据的自洽拟合分析(图2),可以成功提取出Bi2212高温超导体的正常自能和配对自能(图3)。结合Eliashberg理论和运用最大熵方法,通过反演在国际上首次定量获得了正常关联谱函数(normal Eliashberg function)和配对关联谱函数(pairing Eliashberg function)及其随动量和温度的演变关系(图4)。突出的实验结果包括:(1).不论是正常关联谱函数,还是配对关联谱函数,除了低能(~50meV)结构之外,都包含类似的不随能量演变的高能部分,表明铜氧化物高温超导体与传统超导体具有显著不同的电子配对起源; (2).在低温超导态,正常关联谱函数和配对关联谱函数趋于一致,第一次从实验上提供了导致正常自能和配对自能形成的元激发来源一致的直接证据;(3).正常关联谱函数基本不随动量演变,揭示了铜氧化物高温超导体的一个核心悖论: 同样的涨落产生的正常自能和动量无关,但产生的配对自能则处于d波通道; (4). 根据这些定量确定的配对关联谱函数估算出的临界超导温度,与实验材料的超导温度基本一致。
  这项工作首次直接揭示出了铜氧化物高温超导体中超导驱动激发谱的能量和动量特征,通过与目前普遍存在的配对媒介模型(声子、自旋涨落、Hubbard模型涨落和回路电流序涨落等)进行详细比较,为甄别和确立高温超导配对机理和进一步的理论研究提供了决定性的关键信息。同时围绕这项工作所发展的实验技术、理论研究和数值方法等,为研究其它超导体的超导机理开辟了一种统一而有效的途径。国际著名超导理论物理学家Lev Gorkov在评论该项工作时指出 “这篇文章在直接从实验上获得相关的电子-电子相互作用方面是一个大胆和成功的尝试。他们高超的研究方法,为研究其它强关联体系的超导机理开启了新的前景” 。
  相关研究结果发表在近期的Science Advances上 [JinMo Bok et al., Quantitative determination of pairing interactions for high-temperature superconductivity in cuprates, Science Advances 2, e1501329 (2016).]
  上述研究工作获得了国家自然科学基金委(11190022 和 11334010)、科技部和科学院先导B项目等基金的资助。
  相关工作链接:http://advances.sciencemag.org/content/2/3/e1501329
  相关评论链接:http://phys.org/news/2016-03-superconductivity-theory-exclusive-experimental.html
图1. 超高精度真空紫外激光角分辨光电子能谱对高温超导体Bi2212 (Tc=89K) 的测量结果。
图2. 高温超导体Bi2212在超导态和正常态的角分辨光电子能谱数据及其格林函数拟合分析。
图3. 通过角分辨光电子能谱测量获得的高温超导体Bi2212的正常自能和配对自能。
图4. 高温超导体Bi2212通过Eliashberg方程反演获得的正常关联谱函数以及配对关联谱函数。
下载附件>> JinMo Bok et al., Quantitative determination of pairing interactions for high-temperature superconductivity in cuprates, Science Advances 2, e1501329 (2016).pdf
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