铜氧化物高温超导中铜氧面电子结构的扫描隧道显微镜观测

铜氧化物高温超导体的超导机理是近30年来凝聚态物理研究领域的一个重大科学难题.赝能隙和d波配对对称性是对铜氧化物超导体研究所得出的重要实验观察.然而,过去的宏观测量描述的是超导层和电荷库层性质叠加的结果;而微观表面探测主要在实验上易获得的电荷库层进行,无法保证其测量结果能真实表征夹在电荷库层之间的超导结构单元(CuO_2).因此,获得铜氧化物高温超导体的超导层CuO_2且对其进行直接测量是非常必要的,对揭示其高温超导机理具有重要的科学意义.本文综述最近五年内对铜氧化物中CuO_2层相关的扫描隧道显微镜研究结果,对铜氧化物中赝能隙及其与超导电性的关系进行讨论.这些研究为理解高温超导机理提供了重要的思路.     

电子掺杂下FeSe二维性的增强

本文利用离子液体调控对FeSe薄膜进行电子掺杂,研究了超导增强过程中FeSe超导涨落行为的演化.顺电导分析表明,随着温度降低,超导涨落维度从二维过渡到三维;并且,随着电子掺杂,三维涨落的温度区间逐渐减小,这表明FeSe层间耦合强度逐渐减弱,体系二维性增强.FeSe调控后的高T_c态与插层FeSe基材料不仅具有相近的T_c(～40 K),并且都表现出较强的二维性,这暗示着二维性的增强对于FeSe超导的增强起着重要作用.     

二维晶体中的高温超导与量子格里菲斯奇异性

超导体因其零电阻与完全抗磁性等性质,已成为凝聚态物理与材料科学领域最重要的研究方向之一.近年来,随着单晶薄膜制备工艺的提高,二维晶体超导体逐渐发展为新的前沿热点,其中出现的一些新奇物理现象,如高温超导和量子相变等,得到了学术界的广泛关注.简要介绍了二维晶体超导体的研究背景和基本特性,并分两个部分重点介绍了二维晶体中高温超导和量子相变两类重要现象.第一部分总结性回顾了二维高温超导体单原胞层铁硒/钛酸锶(FeSe/STO)的发现和验证,实验中发现的基本性质并探讨了其可能的超导机理.第二部分着重介绍量子相变和量子格里菲斯奇异性,包括其理论模型、在二维晶体超导中的实验发现和相应的分析.最后总结全文,并对相关领域的发展进行了展望.     

镍氧化物超导体的发现与研究进展

镍氧化物超导材料的发现,激发起研究人员新一轮对近似铜氧化物新型超导材料的探寻以及对高温超导机理中有关晶体结构-电子结构密切关系的研究兴趣.本文重点从具有无限层结构的掺杂镍氧化物(Nd_0.8Sr_0.2NiO₂)超导体的发现、目前的实验研究进展、对其电子结构及物理机制的研究等方面概述这类新型超导材料的基本特性,并在结尾对镍基超导体系的构建、一些亟待解决的物理和材料问题以及今后研究的方向等作开放性讨论.     

铁硒基超导体的高压研究进展

FeSe及其衍生化合物因表现出奇特的正常态和超导态性质,成为近年来铁基超导领域的研究热点,其中高压技术在揭示FeSe中的竞争电子序和调控高温超导方面发挥了重要作用.本文概述了利用六面砧装置对FeSe基超导体的高压研究进展,主要内容包括:(1)通过建立FeSe的完整温度-压力相图,观察到圆拱形的反铁磁相界并详细揭示了电子向列序、长程反铁磁序和超导相之间的竞争关系,结合高压下的霍尔效应测试进一步表明反铁磁临界涨落对实现高温超导具有重要作用;(2)在多个插层FeSe高温超导体中,普遍发现高压会首先抑制超导I相,然后在临界压力之上诱导出高温超导Ⅱ相,呈现出双拱形超导相图,而且最高临界温度突破50 K;(3)结合高压X射线衍射和霍尔效应测试,指出超导Ⅱ相的出现和伴随的载流子浓度提高很可能源于压力诱导的费米面重构.     

离子液体调控超导研究

载流子在超导材料中扮演关键角色,其浓度调控对研究超导特性及相关量子器件至关重要.然而载流子浓度通常与其他自由度相互耦合,难以做到单一物理量变化,例如,化学掺杂同时会导致晶格等发生变化.最近迅速发展的离子液体调控技术,兼具了传统的化学掺杂和场效应晶体管优点——大范围、原位、可逆地调节载流子浓度.随着这项技术的发展,逐渐演变出两类调控思路:静电场效应和电化学调控.本文从这两个方面,回顾了离子液体调控在诱导新奇超导态和调控高温超导薄膜物性上的应用:静电场效应对绝缘或半导体体系十分有效,而对于本身载流子浓度较高的材料(如高温超导体等),电化学调控则发挥了重要作用.离子液体因其强大的原位调控能力和易于与其他手段结合的特点,正逐渐成为超导研究中不可或缺的手段,在构建精确相图、突破高温超导机理等方面发挥不可替代的作用.     

高温超导的物理进展

铜氧化物高温超导体的机理研究依然是凝聚态物理中的前沿课题,其物理性质显著不同于常规金属,超导的配对机制仍然悬而未决.为此回顾了最近几年该领域内重要的实验和理论,这些进展有助于人们理解高温超导体的物理特性.     

高温超导薄膜的原子尺度制备和表征

高温超导体因其丰富的物理性质和潜在的应用价值已成为30余年来凝聚态物理学备受关注的前沿方向之一.探索和发现新型高温超导体并以此建立非常规高温超导电性的物理机制是超导物理学家们长期追求的目标.本文从高温超导体的研究现状和瓶颈出发,介绍基于异质外延薄膜高温超导电性的原子尺度研究,阐述近年来分子束外延技术在高温超导薄膜制备和量子调控方面取得的研究进展.在外延薄膜超导特性表征方面,着重介绍基于原位扫描隧道显微镜对超导层的原子尺度研究.在新型高温超导体探索方面,主要介绍基于异质外延薄膜界面超导体系的构筑.本文侧重于展示实验设计思路、研究方法以及对高温超导电性微观机制的理解,力图以此启发相关领域的研究人员.     

FeSe基超导体的拉曼散射研究

拉曼散射是现代凝聚态物理研究的基础实验手段之一,利用其技术上的特色,可以探测凝聚态物质的各类激发及其耦合.FeSe基超导体具有块材、单层、缺位相、插层结构等不同的结构形态、丰富的电子和磁相图、从几K到40 K以上的易调节超导转变温度,因此形成了研究超导性质的一个理想平台,近些年引发了超导领域很多研究者的研究兴趣.本文首先对FeSe基超导体的结构、磁性和电子结构进行介绍,着重阐述了拉曼散射测量在FeSe基超导体研究中取得的研究进展.在声子拉曼响应方面,主要介绍FeSe基超导体的结构与其超导电性之间的关系;在磁的拉曼响应方面,分别对FeSe基材料的双磁子、自旋声子耦合等研究结果进行讨论;在电子拉曼响应方面,主要针对FeSe基超导体中的向列相问题进行了相关分析;最后对单层FeSe超导体和相关的拉曼测量做简要介绍.     

物理系赵俊课题组实验确定铁硒超导体的磁基态

正新闻中心讯近日,我校物理系赵俊课题组利用中子散射技术在铁硒(FeSe)超导体中首次观测到了一种新奇的自旋为1的向列性量子无序顺磁态,这一磁基态的发现对理解FeSe类高温超导机理提供了新的角度,相关研究论文"Magnetic ground state of FeSe"于7月19日在国际权威期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上发表(DOI:10.1038/NCOMMS12182)。超导电性是指在某一温度之下材料的电阻完全消失的现象。由于它背后蕴含深刻的物理、并具有广     

铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱研究

高温超导电性是近代凝聚物理关注的核心问题.高温超导的研究一方面具有重大的应用前景,另一方面推动了多体关联凝聚态物理理论和计算的发展.铁基高温超导材料是除铜氧化物高温超导外的第二类常压条件下的高温超导材料.在对铁基高温超导的研究过程中,研究者利用角分辨光电子能谱技术对铁基高温超导材料的电子结构、对称破缺相、超导能隙等进行了详细的研究,为揭示铁基高温超导配对机制提供了重要的实验依据.近些年,角分辨光电子能谱实验更是在一些铁基高温超导材料中发现了拓扑超导存在的证据.本文将对铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱相关工作进行总结.     

铜氧化物高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

与单质金属或者合金为代表的常规超导体不同,以铜氧化合物高温超导体为代表的非常规超导体的超导机理超出了BCS理论的解释范畴,已经成为凝聚态物理领域的重大科学问题.角分辨光电子能谱技术以其独特的电子能量/动量分辨的优势,在铜氧化物高温超导体的能带结构、能隙行为、多体相互作用等相关物理和超导机理的研究方面发挥着重要作用.角分辨光电子能谱实验技术的提高和数据分析方法的发展,不仅丰富了铜氧化物超导体的电子相图,并且不断加深了人们对其内在物理本质的认知.本文总结了近年来角分辨光电子能谱技术的最新进展,并集中讨论了其在铜氧化物高温超导体研究中对能带结构演化、超导能隙行为和电子-声子相互作用等方面取得的最新研究进展,最后介绍了使用Eliashberg函数数值分析研究高温超导体超导机理的方法.     

氢元素在镍氧化物超导体中的重要作用

氢(H)是宇宙中最轻的元素,对大多数最先进的表征技术不敏感,因此很难确定其在材料中的存在和分布.但H元素就像一把“隐形的钥匙”,在材料科学中开启着不同寻常的物理性质. 2019年,无限层结构镍氧化物超导材料(镍基超导)的发现,激励了研究人员寻求更多类似于铜氧化物的新型高温超导材料,以及探究高温超导机理中晶体结构和电子结构的关联.目前,镍氧化物超导体主要通过金属氢化物的拓扑还原制得,随之而来的问题是:在镍基超导中CaH₂辅助的拓扑还原是否会在薄膜中引入“额外”的H元素,并影响其超导态?本文着重回顾了H元素对材料物理性能的影响规律,重点介绍了近年来镍氧化物中H存在的痕迹、H元素在材料内部的原子占据位置,详细分析了H元素对镍基材料超导电性的影响机制,并对今后该领域的研究方向和重点展开了开放性讨论.     

中国基于同步辐射光源的ARPES线站简介

角分辨光电子能谱(ARPES)凭借直接探测电子能量和动量的优势,在研究固体材料能带结构、费米面以及能隙等方面发挥着重要作用.近年来,通过追随国际领先水平,我国ARPES技术得到了飞速发展,其中与第一、二、三代同步辐射光源的结合更是帮助凝聚态物理和自旋电子学等研究方向实现了许多重大突破.本文从线站技术特点和主要成果两个角度简要介绍了目前中国主要的基于同步辐射ARPES光束线站:包括合肥光源角分辨光电子能谱线站,上海光源“梦之线”、BL03U、BL07U-Nano ARPES和BL07U-自旋分辨ARPES线站,同时还对基于未来合肥先进光源的新ARPES线站进行了展望.这些实验站将在新型量子材料探索与调控、微纳原型器件的研发等方面提供关键且不可替代的技术支撑.     

基于张量网络算法对二维t-J模型的研究

高温超导问题是当前凝聚态物理学研究的最重要的问题之一。本文应用基于二维强关联电子无限费米子系统的投影纠缠对(gPEPS)表示下建立的虚时间演化的张量网络算法[arXiv:0907.5520],对高温超导的相关的最小模型——二维t-J 模型进行了数值模拟研究,得出二维t-J模型在半占据状态与小于半占据状态时的基态,并最终得到了海森堡反铁磁无空穴的态与有空穴的态之间的相分离线,以及二维正方格子t-J 模型的单位格点基态能量。研究结果表明,二维t-J 模型的相分离线上临界点为Jc=0.95t和下临界点为Jc=3.45t;随后模拟J/t = 0.4,发现不同的掺杂会导致出现四个超导相：一个是由电荷密度波、自旋密度波与p波共存的超导相,一个是自旋单态的d s波超导配对与反铁磁背景下自旋三态p波超导配对超导相,一个是扩展s波配对超导相,一个是铁磁背景下p波的配对超导相。     

脉冲激光作用硅锗合金形成多种捕获界面态

用脉冲激光辐照和退火氧化处理在硅锗合金衬底上形成了具有不同界面态分布的氧化低维结构.在这些结构中都有在几个纳米的氧化层中约束了大量的硅和锗的纳米团簇结构,分析这些低维结构所产生的光致荧光(PL)光谱发现,由于氧化条件的不同所生成的这些结构对应的PL光谱无论是强度,还是频率都发生了显著的变化.用量子受限-硅锗与氧化物界面态综合模型解释了样品PL发光的变化.     

BST类氧化物铁电薄膜的生长研究

利用脉冲激光分子束外延(PLMBE)并结合反射式高能电子衍射(RHEED)方法,针对BST类氧化物铁电薄膜的生长机理进行了较为系统的实验研究。通过生长模式、生长相图、弛豫时间等的变化规律提出氧化物薄膜的原胞生长机理,通过原位实时监测生长过程获得～300℃的最低层状晶化温度,通过界面形成的压应力、张应力调控薄膜表面的形貌结构,通过不对称介质超晶格的设计获得高性能的铁电极化强度,通过过渡层技术在Si基片上实现了铁电薄膜取向生长等。     

TBCCO/LAO高温超导薄膜的电阻转变和各向异性

将Tl2Ba2CaCu2O8(TBCCO)高温超导薄膜通过磁控溅射的方法沉积到LaAlO3(LAO)衬底上,SEM和XRD的测量结果显示该超导薄膜具有很高的成膜品质.通过标准四引线方法对TBCCO/LAO高温超导薄膜在不同磁场下的电阻转变进行了研究.结果表明:在一定的磁场下TBCCO/LAO超导薄膜具有很强的电阻转变展宽现象,并且当磁场垂直于超导薄膜表面时该超导薄膜显示出更强的电阻转变展宽现象.用热激活辅助磁通流动理论对该超导薄膜的电阻转变展宽现象进行了解释,同时通过分析超导薄膜的电阻转变对该超导薄膜的各向异性进行了讨论.     

高温超导体中超导位相涨落:Nernst效应研究

高温超导体赝隙态具有许多反常的现象,与高温超导机理之间有密切联系,一直是研究的焦点.有理论提出在赝隙态存在预超导配对.能斯特（Nernst）效应测量探测到了超导转变温度TC0以上温区一定范围内存在磁通涡旋激发,支持了赝隙态中存在有限的超导序参量振幅和强烈的位相涨落的图象,说明TC0处的相变是由Cooper对之间长程位相关联的消失所驱动的.     

亚稳态新型铁硒基超导体探索

插层铁硒基超导体作为铁基超导的重要组成部分,是近年来凝聚态物理领域的研究热点.它们不仅具有高的超导转变温度(T_c),而且有着迥异于其他铁基超导体的费米面电子结构,挑战了原有的超导电子配对机理.然而由于电负性平衡的要求,使用传统高温固相反应得到的晶体无法避免相分离的发生,其中含有大量Fe空位的非超导相,严重干扰对其本征物性的研究.为获得单相的插层铁硒基超导体,人们提出了液氨法,利用低温获得无Fe空位的插层铁硒基超导亚稳相.随后,溶剂热法和水热法等低温插层方法相继被提出.本文回顾了插层铁硒基超导体的设计理念和发展历程,综述了几种典型低温插层方法及其研究进展,同时提出了未来的研究方向.