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物理所发现氧化物高温超导体中超导序和竞争序共存的实验证据

来源:中国科学院时间:2008-12-31

  近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室闻海虎研究组发现氧化物高温超导体中超导序和竞争序共存的实验证据。该工作发表在Physical Review Letter【J. H. Ma et al., Physical Review Letter 101, 207002(2008)】上。

  从固体能带角度讲,氧化物超导体的母体材料(如La2CuO4)应该是一个半满填充的金属,然而,由于电子强关联效应,它却表现出绝缘特性,被称为Mott型绝缘体。通过对这样一个母体进行空穴(或电子)掺杂,才能够获得导电性,并且在每个铜位掺杂0.05空穴后出现超导电性。随着掺杂的进行,很多竞争相会出现,如反铁磁相、电荷有序相和超导相等等。这些竞争序之间的关系,一直是本领域关心的核心问题之一。反映在动量空间里,在所谓节点附近出现一个与超导直接相关的能隙,而在反节点区域出现一个能量较大的赝能隙。这两个能隙之间是什么关系至今是个迷。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的闻海虎小组最近几年潜心研究高温超导体单晶的生长和物性,他们生长的Bi系单晶质量达到国际先进水平 【H. Q. Luo et al., J. Crys. Growth 305, 222(2007); Supercond. Sc. Tech. 21, 125024(2008)】。基于这些优质单晶,他们与美国波斯顿学院的丁洪教授小组(现已经回国工作)和Madhavan教授小组、日本东北大学的Takahashi教授小组合作,结合扫描隧道谱(STM)和高精度角分辨光电子谱(ARPES)测量,无论在实空间还是在动量空间均发现了两个能量尺度共存的特征,而且发现两个能量密切关联。具体叙述如下:

  在掺La的Bi2Sr2CuO6 (Tc=32K)单晶上面,他们的STM测量发现有两个能量特征共存,一个小的能量(Δs≈12meV)对应超导的相干峰位置,而一个大的能量尺度出现在Δp≈33meV左右。同时测量的一个过掺杂的单晶上面(Tc=16 K),也看见了这两个能隙,而且都相应减小(变为Δs≈8meV,Δp≈21meV)。有趣的是,在角分辨光电子谱上面也看见两个能量尺度,在Tc以下,从节点出发沿着费米弧向反节点走,能隙逐渐增大,满足一个标准的d-wave 能隙函数关系,一直延伸到反节点(通过将低温的数据与Tc以上数据相除获得)。这个能隙是超导能隙,到超导温度以上就消失了。另外,在反节点附近,他们看见了一个较大能量尺度,大约在35 meV 左右, 在Tc上下均存在。因此在实空间和动量空间均看见了两个能量尺度,较小的对应超导能隙,较大的是赝能隙。赝能隙可能对应的是电荷密度波序,但是鉴于两个能隙之间的正相关性,这就说明这两种能隙的产生也许来自于同一个源动力。另外一种可能性是大能隙对应的是配对电子所形成电荷序。该工作说明节点附近的超导能隙与反节点附近的密切赝能隙相关。这个结论与闻海虎等人早期的比热测量数据所得到的结论相符【H. H. Wen et al., Physical Review B 72, 134507 (2005); 70, 214505(2004)】。

  该工作得到科技部973计划,中科院创新工程计划和国家自然科学基金委的资助。