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.     

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.     

铜氧化物高温超导体的元素掺杂效应

简要介绍高温超导体的发展以及研究状况.实验显示,可用正电子湮没参数来表征元素掺杂对超导体的超导转变温度、结构缺陷和相变的影响.表明了正电子湮没技术是研究铜氧化物高温超导体的元素掺杂效应的有效手段.     

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.     

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.     

t''''次近邻跃迁对角分析光电子谱的影响

以SDW波模拟赝能隙,基于具有自旋密度波(SDW)和d-波超导对称性(DSC)的Hubbard唯象模型,同时考虑近邻、次近邻跃迁效应,在平均场近似下计算谱函数及态密度,研究赝能隙和次近邻跃迁(t')对ARPES的影响.发现考虑次近邻跃迁后得到的结果与铜氧化物高温超导体的性质符合的更好.     

Nd4Ni3O10的红外光谱研究

无限层平面四方相镍氧化物薄膜以及高压下双层Ruddlesden-Popper(RP)相镍氧化物单晶中相继发现的超导电性引起了超导领域的广泛兴趣.常压下RP相镍氧化物中迄今未观测到超导电性,但双层和三层RP相镍氧化物中存在金属-金属转变.本文对三层RP相镍氧化物Nd₄Ni₃O₁₀进行了红外光谱研究,发现低频的光电导谱存在Drude响应,和材料的金属性相符.低频的光电导谱需要两个Drude分量来描述,说明材料中有多个能带穿过费米能级.在金属-金属转变温度T^*以下,低频的光电导谱被压制,表明费米面上有能隙打开;丢失的谱重被转移到很高的能量范围,表明电子强关联效应在金属-金属转变中起重要作用.本文的实验结果为理解RP相镍氧化物中金属-金属转变的本质提供关键信息.     

钒基笼目AV3Sb5(A=K,Rb,Cs)体系的超导序参量及高压研究

笼目晶格具有本征的几何阻挫,长期以来是研究量子磁性的重要平台.近年来,笼目晶格金属中的狄拉克费米子、平带、范霍夫奇点等能带结构及其调控受到了广泛关注.其中,钒基笼目AV₃Sb₅(A=K, Rb, Cs)体系具有非常规电荷密度波(CDW)及与其共存的超导,近期涌现了大量针对其物理性质和机制的研究工作.基于浙江大学关联物质研究中心在AV₃Sb₅体系中开展的一系列工作,本文对AV₃Sb₅中超导序参量对称性、超导与CDW的关系、超导的高压调控等方面的研究进行介绍.这些研究表明,无论CDW是否与超导共存, CsV₃Sb₅都保持无能隙节点的超导序参量,且超导能隙大小对压力或应力调控高度敏感.在静水压调控下, AV₃Sb₅中的CDW随着压力的增加被逐渐抑制,与超导的相互作用表现为竞争,没有CDW量子临界点的特征.在AV₃Sb₅中的CDW被压...     

t′次近邻跃迁对角分析光电子谱的影响

以SDW波模拟赝能隙,基于具有自旋密度波(SDW)和d-波超导对称性(DSC)的Hub bard唯象模型,同时考虑近邻、次近邻跃迁效应,在平均场近似下计算谱函数及态密度,研究赝能隙和次近邻跃迁(t′)对ARPES的影响。发现考虑次近邻跃迁后得到的结果与铜氧化物高温超导体的性质符合的更好。     

正常金属-绝缘体-s波超导结中的隧道谱和束缚态

在正常金属－绝缘体－ｓ波超导隧道结中,考虑到绝缘体中的体杂质散射以及粗糙界面散射,运用Ｂｏｇｏｌｉｕｂｏｖ－ｄｅ Ｇｅｎｎｅｓ（ＢｄＧ）方程和Ｂｌｏｎｄｅｒ－Ｔｉｎｋｈａｍ－Ｋｌａｐｗｉｊｋ（ＢＴＫ）理论模型,计算系统的微分电导和束缚态。计算表明：（１）粗糙界面散射和绝缘体中的杂质散射都能使能隙峰变低,凹陷升高;（２）当绝缘层厚度具有几个超导相干长度时,隧道谱中将呈现一些子能隙谐振峰,并在超导能隙内形成一些束缚态。     

发展实空间格林函数理论研究铜替位铁基超导

基于格林函数运动方程,发展了一套新的实空间多轨道格林函数方法,能够在实空间内对所有格点和轨道的格林函数进行同步求解,因此适用于研究因掺杂和空位等引入了无序效应的多轨道强关联体系.在文章中,讨论了如何合理地对多轨道体系的高阶格林函数进行截断近似,并详细介绍了在实空间开展矩阵化自洽求解时所需引入的数值计算技术方法.利用这一方法研究了用于描述铜替位掺杂的铁基超导的非均匀三轨道Hubbard模型,并重点探讨铜杂质对轨道选择莫特相变的影响.在轨道选择莫特相变中,只有d_(xy)轨道会发生莫特金属-绝缘体相变,而简并的d_(xz/yz)轨道仍然处于金属相.我们的计算结果显示,掺杂可以在d_(xy)轨道的莫特能隙中引入局域的隙间态,从而会显著提高发生轨道选择相变的洪德耦合临界值J_c.     

高温铜氧化物超导体能隙问题研究最新进展

高温铜氧化物超导体的超导机制是最近20多年凝聚态物理中的重大难题之一,而蕴含其中的高温超导体的能隙问题,特别是赝能隙的起源及其与超导能隙之间的关系,一直是凝聚态物理实验和理论研究的重要内容。我们从实验和理论两方面,概括综述了近年来针对高温铜氧化物超导体能隙问题研究的最新进展,对几种能够直接探测赝能隙和超导能隙特性的实验方法,如角分辨光电子能谱、扫描隧穿谱和电子拉曼光谱等主要实验结果进行了系统的梳理,同时介绍了与这些实验结果紧密联系的几种较为流行的理论模型及其结果。最后针对这些问题给出了简单的讨论,并展望了下一步的发展,期望对高温超导体物理性质的进一步理解和研究具有积极的帮助作用。     

铜氧化物高温超导体的比热容

 基于Nozieres Schmitt Rink的强耦合超导理论和推广的Luttinger理论,文中分别计算了低电子浓度和高电子浓度体系的电子比热容及线性比热系数,描绘出线性比热系数随温度的变化曲线。电子线性比热系数的计算结果表明,在Nozieres Schmitt Rink理论和推广的Luttinger理论框架下,铜氧化物高温超导体中产生赝隙。     

二项式光场与负二项式光场对超导量子比特读出电流的影响

研究了二项式态光场和负二项式态光场与耦合超导量子比特相互作用下的超导电流的时间演化规律.研究结果显示:在确定的二项式态或负二项式态光场中,耦合超导量子比特的初始量子态对穿过自身的超导电流的动力学行为几乎没有影响;但光场的量子态,尤其是光场参数对超导电流的动力学行为具有调控作用.因此,通过测量超导量子比特的输出电流,能够探测量子光场的统计性质.     

图版

相变和临界现象是一种普遍存在的物理现象,它既发生于人们的日常生活中(例如冰融化成水),又是产生新奇物态的普遍机制(例如高温超导体的形成).通常的相变由热涨落驱动,也称经典相变.量子相变则发生在绝对零温,在外参数变化时由量子涨落驱动.建立在对称性破缺,序参量涨落和重整化群基础上的朗道-金兹堡-威尔逊理论(Landau-Ginzburg-Wilson,LGW)成功解释了经典相变.而通常的量子相变,也可以通过路径积分表示映射到更高维的经典情况,进而纳入LGW的理论框架内.然而,近年来实验上不断发现不能用LGW理论描述的量子临界现象,例如铜氧化物超导体和重费米金属.如何从理论上理解这些现象成为了统计物理学和凝聚态理论中一个重要的研究课题.     

金属量子结构中的半导体输运性质及其调控

随着后摩尔时代的推进,以硅为基础的半导体器件正接近其性能极限.除了不断引入新的器件结构外,设计具有半导体特性的金属量子结构为微电子器件的性能提升提供了全新的解决方案;而打开金属带隙,使其具有栅极可调半导体输运,是实现其应用的关键.以此为目的,自20世纪末以来,多种金属量子结构便逐步被设计与开发,其输运特性的有效调控也被学术界广泛研究.本文回顾了零维量子点、一维纳米线/纳米管、二维材料/人工二维晶格/超导薄膜等不同维度金属量子结构的研究进展;针对这些结构体系,介绍了其各自的能隙调控思想,总结分析了可控输运特性的实现方法与内在机制,对比展示了材料结构的电学性能及应用前景.基于目前报道的研究结果,提出了未来预期的研究方向:开发金属量子结构中输运与自旋关联特性,设计同时传输电荷与自旋信息,且具有栅极可调输运带隙的全金属沟道材料、结构与器件.     

超导研究中的新技术和新材料专题·编者按

自金属汞中发现超导材料的第一个基本属性——(直流)零电阻至今恰好110年,迄今在数据库Super Con中可以找到12000多个超导体.超导研究中的新技术和新材料不断为这个领域注入活力,使其历久弥新. 1908年,在液氢预冷和节流膨胀过程下, Kamerlingh Onnes成功将氦液化, 3年后在测量汞的低温电阻时发现超导.钇钡铜氧高温超导体发现当年, Dijkkamp和Venkatesan等人用准分子脉冲激光镀膜技术成功制备了该体系的超导薄膜.     

碲及其复合物对BSCCO,V_2O_3和Fe_2O_3的物理性能的影响

在高温超导陶瓷、钒氧化物和铁氧体中加入碲或碲与金属的复合氧化物,在恰当的工艺条件下,可以提高试样的硬度、致密度、钇系高Tc超导陶瓷的电流密度,降低铁氧体的居里点,导致铋系高温超导体出现高温亚稳相,在钒氧化物中引起介电常数峰以及使340K相变时电阻率曲线出现奇异。本文用固态相变的观点和元素碲的特性讨论了这些现象。     

新型高温超导候选材料Sr2CuO2Fe2As2的设计及物性研究

基于现有铜氧化物和铁基两类高温超导体的特性,设计了同时包含CuO2层和Fe2As2层的新材料Sr2CuO2Fe2As2,采用一性原理方法对其进行了稳定性分析,并计算了母体材料及掺杂后的电子能带结构.结果表明,该物质在能量上处于有利地位,具有良好的稳定性.其电子结构与铁基超导体较为相似,表现出弱金属性,其导电性主要集中在Fe2As2层.空穴掺杂时,CuO2和Fe2As2层层间关联得到削弱,材料的导电性仍由Fe2As2层主导;而在电子掺杂中,不仅Fe2As2层的导电性出现增强,CuO2层的导电能力也大幅度提高.结果表明,所设计的Sr2CuO2Fe2As2的电子结构与两类高温超导体具有相似性,可能成为超导候选母体材料,并具有实验研究和理论分析价值.     

高温超导体RBa2Cu3Oy超导转变热力学

研究了稀土氧化物高温超导体ＲＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（Ｒ：一般为稀土元素）超导转变的相变性质，认为在没有外界磁场作用时超导转变为二级相变，有外界磁场作用时为一级相变。推导出超导体ＲＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ在超导转变时体系的Ｇｉｂｂｓ自由能关系式。