展示柜货号:未知 极低温激光角分辨光电子能谱确定只具有空穴型费米面铁基超导体的
作为第二大类高温超导材料,自2008年发现以来,其超导配对机理一直是凝聚态物理领域的重大前沿问题尊龙人生就是博d88注册登录。是解决超导机理的两个先决条件。铁基超导体是一个典型的多带体系,其配对对称性和密切相关尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录。大多数铁基超导体具有布里渊区中心(Γ点)的空穴型费米面和布里渊区角落(M点)的电子型费米面,其配对对称性普遍被认为是s± (Γ在电子掺杂的只具有电子型费米面的铁基超导体中,例如单层FeSe/SrTiO 3超导薄膜尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,其配对对称性尚有争议,可能是s±波或d波尊龙人生就是博d88注册登录。而在空穴掺杂的铁基超导体中,极度过掺区域会得到只具有空穴型费米面的情形尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,其配对对称性引起了广泛的讨论,提出的可能性包括s±(Γ -Γ),即在Γ点两个费米面上配对符号相反的s波尊龙人生就是博d88注册登录,或者d波等尊龙人生就是博d88注册登录。厘清超导配对对称性和不同费米面结构之间的关系,对理解铁基超导体的超导机理至关重要。
KFe2As2是典型的只有空穴型费米面的铁基超导体,它处于(Ba 1-xK xFe 2As 2)体系的掺杂末端(x=1),具有约3.5K的超导转变温度尊龙人生就是博d88注册登录。有实验表明在(Ba 1-xK x)Fe 2As 2掺杂x=0.8附近有时间反演对称性破缺尊龙人生就是博d88注册登录,暗示其左右两边发生了配对对称性的改变。另外尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,其低温的线性比热系数(索末菲尔德系数)很大尊龙人生就是博d88注册登录,也引起了对其重费米子行为起源的讨论。作为具有对电子动量分辨本领的实验方法尊龙人生就是博d88注册登录,角分辨光电子能谱(ARPES)是研究这些问题最直接的实验手段尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录。但由于KFe 2As 2的超导转变温度极低(~3.5K)尊龙人生就是博d88注册登录,超导能隙极小(0~1meV),常规ARPES(最低温度~10K,能量分辨率5meV)对其超导态的电子结构和能隙结构很难进行测量尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室周兴江研究组的博士生吴定松尊龙人生就是博d88注册登录、贾俊杰和杨鉴刚,赵林副研究员,与中国科学院理化技术研究所许祖彦团队以及理论物理研究所吴贤新等合作,利用自主研制的大动量极低温深紫外激光角分辨光电子能谱仪(最低温度~0.8K,谱仪能量分辨率优于0.5meV,见物理所科研进展“国际首台大动量极低温深紫外激光角分辨光电子能谱系统研制成功并投入使用 ,成功克服了KFe2As2超导态电子结构测量需求的极低温和超高分辨率的难题。通过对KFe 2As 2的电子结构和超导能隙进行细致的研究, 确定了KFe 2As 2的详细的费米面结构和超导能隙对称性,为铁基超导的配对机理提供了重要信息。
图1:实验得到的KFe2As2的费米面和高对称动量方向上不同极化光条件下的能带结构尊龙人生就是博d88注册登录。
基于自行生长的具有3.7K转变温度的高质量KFe 2As 2单晶,深紫外激光ARPES测量了其精细的费米面结构和超导能隙结构尊龙人生就是博d88注册登录。费米面结构显示为Γ点附近α尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录、β和γ三个空穴型费米面,以及围绕M点的四个小空穴型费米面(图1)尊龙人生就是博d88注册登录。细节特征显示尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,β费米面发生了劈裂(图1f),进一步的研究表明其中一支来源于表面态。围绕Γ点还观察到四个小空穴型费米面,这是由于样品解理面存在√2x2表面重构,导致Γ点和M点的电子结构相互折叠,这四个小空穴型费米面实际上来源于M点附近的费米面折叠到了Γ点附近。这个特性使得深紫外激光ARPES不仅能测量到 Γ点附近尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,还能测量M点附近的电子结构,提供了全面研究KFe 2As 2费米面和超导能隙结构的机会。
图2显示了超导能隙在不同温度下的打开与关闭以及低温下超导能隙的费米面依赖行为尊龙人生就是博d88注册登录。图3详细分析了其中的ε能带,发现其正常态是一个很平的能带,与KFe 2As 2的重费米子行为有关。进一步计算表明尊龙人生就是博d88注册登录,其比热的索末菲尔德系数有接近一半来源于ε能带尊龙人生就是博d88注册登录,说明其对重费米子行为起重要作用。
基于低温下完整费米面的获取尊龙人生就是博d88注册登录,该研究提取了所有费米面的能隙大小随着动量的分布(图4)尊龙人生就是博d88注册登录,并对其能隙对称性进行了深入分析(图5)尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录。结果表明,KFe 2As 2的超导能隙对称性为s± (Γ-M),即Γ和M点的空穴型费米面之间能隙符号变号尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录。原因如下:第一尊龙人生就是博d88注册登录,能隙大小分布定性符合s± (Γ-M)的简单形式;第二,结合非弹性中子散射的结果,Γ点附α/β和M点附ε的嵌套矢量和自旋共振的波矢相符尊龙人生就是博d88注册登录,表明Γ点附近和M点附近的能隙符号反转;第三,嵌套矢量连接的能隙大小和自旋共振能量的关系满足普适规律;第四尊龙人生就是博d88注册登录,费米面上出现很多能隙节点尊龙人生就是博d88注册登录,这些节点的位置都出现在s± (Γ-M)的简单形式给出的节线附近。这些证据都表明KFe2As2的超导能隙对称性为s± (Γ-M)尊龙人生就是博d88注册登录。
KFe 2As 2 的能隙对称性存在争议许久尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,其独特的费米面结构也使其研究十分重要。在此之前的研究普遍认为其超导能隙对称性对应s±(Γ-Γ)。这项工作明确了KFe 2As 2的超导能隙对称性为s± (Γ-M)。另外尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,这项工作表明尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录,只具有空穴费米面的KFe2As2的能隙对称性和同时具有空穴型和电子型费米面的体系具有相同的能隙对称性,统一了这两类不同费米面的超导体系,为铁基超导体的配对机理研究提供了重要信息尊龙人生就是博d88注册登录。
相关研究成果发表在近期的Nature Physics上尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录尊龙人生就是博d88注册登录。上述科研工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和科学院先导B项目等基金的资助尊龙人生就是博d88注册登录。