【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電聲子相互作用對(duì)超導(dǎo)電性的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用。在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，電子與聲子或其他玻色子耦合是否存在，以及電聲子耦合在產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性中的作用尚不清楚。在對(duì)銅氧化物高溫超導(dǎo)體多體效應(yīng)的研究中，角分辨光電子能譜發(fā)揮了重要作用。前期對(duì)多種銅氧化物高溫超導(dǎo)體的角分辨光電子能譜研究表明，其節(jié)點(diǎn)方向能帶色散存在~70meV的扭折(kink)結(jié)構(gòu)，在一些超導(dǎo)體的反節(jié)點(diǎn)附近能帶色散存在~40meV的扭折結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)態(tài)反節(jié)點(diǎn)區(qū)域光電子能譜曲線中存在“peak-dip-hump”(峰-谷-包)結(jié)構(gòu)。已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較零散，相互之間存在矛盾，特別是對(duì)這些結(jié)構(gòu)起源的認(rèn)識(shí)存在爭(zhēng)論，集中在是歸結(jié)于電子與聲子的耦合，還是電子與磁共振模式的相互作用，或是電子與兩種模式共同作用的結(jié)果。研究銅氧化物高溫超導(dǎo)體中的多體相互作用，對(duì)探討其中電子-玻色模相互作用的起源及其在產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性中的作用具有重要意義。
 

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC7組研究員周興江和博士研究生閆宏濤等，利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜具有超高分辨率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)Bi系銅氧化物高溫超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，為探究其中的多體相互作用和電子-玻色模耦合提供了全新認(rèn)識(shí)。
 

　　高精度測(cè)量發(fā)現(xiàn)，銅氧化物高溫超導(dǎo)體光電子能譜曲線中存在著更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)(兩個(gè)dip和兩個(gè)hump)，表現(xiàn)在能帶上同時(shí)出現(xiàn)兩套類似平帶的電子結(jié)構(gòu)特征，對(duì)應(yīng)的能量尺度分別為~70meV和~40meV。 這些特征不僅表現(xiàn)在沿節(jié)點(diǎn)方向的能帶結(jié)構(gòu)中(圖1)，而且出現(xiàn)在反節(jié)點(diǎn)區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)中(圖2)。進(jìn)一步系統(tǒng)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)共存的能量尺度在不同材料中(Bi2Sr2CuO6+δ、Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ)、 在從節(jié)點(diǎn)方向到反節(jié)點(diǎn)的所有動(dòng)量空間中(圖3)、 在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上和之下的不同溫度下(圖4)，以及在不同摻雜濃度的樣品中，均普遍存在。此前，只在Bi2Sr2CaCu2O8+δ超導(dǎo)態(tài)反節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)現(xiàn)的“peak-dip-hump”結(jié)構(gòu)，實(shí)際上包含更為精細(xì)的“peak-double dip-double hump”結(jié)構(gòu)，在不同材料、所有動(dòng)量、不同溫度和不同摻雜樣品中無(wú)處不在。
 

　　不同銅氧化物超導(dǎo)體中~70meV和~40meV兩個(gè)能量尺度表現(xiàn)出類似的動(dòng)量、摻雜和溫度依賴關(guān)系，說(shuō)明這兩個(gè)能量尺度對(duì)應(yīng)相同的起源。電子同時(shí)和兩個(gè)玻色模相互耦合的圖像，可以很好地剖析觀察到的精細(xì)電子結(jié)構(gòu)及其隨動(dòng)量和摻雜的演變關(guān)系。目前，銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，已知可能存在的玻色模包括聲子、磁共振模和自旋漲落。其中，磁共振模和自旋漲落強(qiáng)烈依賴于材料中的摻雜濃度和樣品溫度，這與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果不符。~70meV和~40meV共存電子-玻色模耦合的無(wú)處不在性，支持聲子作為這兩種玻色模的起源。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，~70meV和~40meV兩個(gè)共存的能量尺度在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變上下沒(méi)有隨著超導(dǎo)能隙的打開(kāi)而出現(xiàn)明顯的移動(dòng)(圖4)。這種行為在傳統(tǒng)的電子-玻色模耦合圖像中難以理解，表明銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有非常規(guī)的電子-玻色模耦合方式，需要發(fā)展進(jìn)一步的理論來(lái)解析這兩個(gè)玻色模的耦合行為。
 

　　該工作全面系統(tǒng)地研究了銅氧化物高溫超導(dǎo)體中電子-玻色模耦合隨材料、動(dòng)量、摻雜和溫度的演變，發(fā)現(xiàn)了更精細(xì)的電子結(jié)構(gòu)，提供了銅氧化物高溫超導(dǎo)體中多體相互作用的統(tǒng)一圖像，對(duì)探索電子-玻色模耦合的起源及其在產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性中的作用具有重要意義。
 

　　近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等的支持。
 

　　圖1. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中沿節(jié)點(diǎn)方向能帶中觀察到兩個(gè)共存的~70meV和~40meV能量尺度

 

　　圖2. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中反節(jié)點(diǎn)區(qū)域能帶中觀察到兩個(gè)共存的~70meV和~40meV能量尺度

 

　　圖3. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中兩個(gè)能量尺度隨動(dòng)量的依賴關(guān)系

 

　　圖4. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中兩個(gè)能量尺度隨溫度的依賴關(guān)系