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高溫超導體研究獲得新進展
引自科學網
1986年銅氧化物高溫超導體的發現,對凝聚態物理提出了許多根本性而又極具挑戰性的重要問題。銅氧化合物高溫超導體的母體為反鐵磁絕緣體, 隨著載流子的引入，它逐漸演變為金屬和超導體。研究發現, 在摻入少量載流子的欠摻雜區域，高溫超導體表現出的一系列奇異的正常態(超導溫度Tc以上)性質，明顯偏離經典的金屬理論--藍道費米液體理論。一個尤為奇異的現象是在欠摻雜區域”贗能隙”的存在。在傳統超導體中，超導能隙(打開電子對所需要的能量)只有在材料進入超導態(Tc以下)才打開。但在銅氧化物高溫超導體的欠摻雜區域，在Tc以上一定的溫度範圍，儘管材料還沒有超導，已經有所謂的贗能隙打開。理解欠摻雜區域的奇異物性,特別是贗能隙的本質及其與超導電性的關係，對理解高溫超導機理具有關鍵的作用。
高溫超導體的母體在摻入少量載流子後的欠摻雜區域，費米面應具有什麼樣的拓撲形狀？這是理解高溫超導體奇異物性的最基本的問題, 也是20多年來在理論和實驗兩方面一直爭議不斷的重要問題。在理論上，不同的理論框架對費米面的拓撲形狀給出截然不同的預言。如有的認為可能形成大的費米面，有的認為應該形成費米弧 (Fermi arc), 有的則認為應該形成費米口袋(Fermi pocket). 在實驗上，不同的實驗方法得到的結果也不一致。如近期的一系列量子振盪實驗，表明在欠摻雜樣品中可能存在費米口袋. 角分辨光電子能譜(ARPES)作為對費米面能夠進行直接測量的實驗手段，得到的結果都是支援費米弧的圖像。
中科院物理所周興江研究小組，利用超高解析度的真空紫外雷射角分辨光電子能譜，在對銅氧化物高溫超導體的電子結構研究中,取得重要進展。他們在實驗上不僅直接觀察到費米口袋的存在，而且觀察到費米口袋和費米弧的共存。相關結果發表在2009年11月19日出版的Nature上 （Jianqiao Meng et al., Nature 462(2009)335）， 在超導領域引起強烈反響。
圖1. 雷射角分辨光電子能譜測量的欠摻雜Bi2(Sr2-xLax)CuO6 (x=0.73, Tc=18K) 樣品的費米面（圖1a）和對應的能帶結構(圖1b-f)。 圖1中的主費米面LM和費米面LP形成一個閉合的費米口袋（Fermi pocket）.
圖1顯示的是採用真空紫外雷射角分辨光電子能譜測得的欠摻雜Bi2201高溫超導體的費米面(圖1a) 及相應的能帶結構（圖1b-f）。圖1中除了強信號的主費米面LM外，還觀察到另外3個弱費米面。其中，費米面LP與主費米面LM相交，形成一個封閉的費米面--即費米口袋。通過仔細的實驗和分析，可以排除LP費米面是由非本征因素引起的可能性。 而且LP的信號強度不到主費米面LM的1/20。因此，真空紫外雷射角分辨光電子能譜儀的高精度和高資料品質，對能觀察到費米口袋起著重要的作用。
圖2. Bi2(Sr2-xLax)CuO6樣品的費米面隨摻雜的演變: (a). x=0.84, Tc=3k; (b). x=0.73, Tc=18K; (c). x=0.60, Tc=26K; (d). x=0.40, Tc=32K. 在Tc=18K(b)和26K(c)的樣品中可以看到費米口袋，但在重欠摻雜的Tc=3K樣品（a）和在最佳摻雜的Tc=32K樣品(d)中則沒有觀察到費米口袋。
費米口袋表現出特別的摻雜依賴關係。圖2顯示的是4種不同摻雜的Bi2201樣品測得的費米面。其中前3個樣品為欠摻雜樣品，超導轉變溫度分別為3K（圖2a），18K (圖2b)和26K（圖2c），第4個樣品為最佳摻雜（圖2d）。可以看出，費米口袋在最佳摻雜樣品中沒有出現（圖2d），而在重欠摻雜的樣品中也沒有觀察到（圖2a）。費米口袋只在欠摻雜區域，適當的摻雜範圍才出現 （圖2b和2c）。
圖3.Bi2201超導體（Tc=18K）中費米口袋和費米弧的共存。圖3a顯示的是超導態的費米面。圖3 b和3d則分別顯示的是沿著主費米面LM和費米口袋LP上的光電子能譜曲線。圖3f顯示的是正常態的費米面及相應的光電子能譜曲線（圖3g-j）。
一個尤為獨特的現象是費米口袋和費米弧的共存。圖3顯示的是在超導溫度以上（圖3上半部分）和以下（（圖3下半部分）分別測得的費米面以及費米面上對應的光電子能譜曲線，由此可以獲得能隙的資訊。由圖3c和3e可以看出，在超導溫度以下，主費米面LM和費米口袋LP上都形成了各向異性的超導能隙。但在超導溫度以上的正常態，由圖3h和3j可以看出，費米口袋LP上的能隙已消失，但主費米面 LM只在節點區域的能隙消失，而在遠離節點靠近反節點區域能隙依然存在。圖3f中以紫色實心圓點表示在費米口袋LP和主費米面LM上能隙消失的區域，由此可以看出，主費米面上的無能隙區域（費米弧）的長度，看來要比費米口袋長。這就形成了一個有趣的費米口袋（無能隙LP和部分無能隙LM形成的封閉費米面）和費米弧（主費米面LM上的無能隙區域）共存的現象。
實驗觀察到的費米口袋為空穴型, 它的面積大小與樣品的摻雜濃度相對應（圖2i）。這些結果，加上費米口袋在布裏淵區中的位置（圖2i）以及獨特的摻雜演變（圖2），對確立欠摻雜區域費米面的形狀，檢驗已有的各種理論提供了重要的資訊。對實驗觀察到的費米口袋的形成機理，有些理論顯然不符。基於P. W. Anderson最初提出的共振價鍵理論（RVB）的唯象理論，在幾個重要的方面和實驗觀察到的費米口袋符合較好，但仍有不一致之處。在正常態費米口袋和費米弧的共存，則是目前理論完全沒有預計到的新的情形。因此，該研究結果, 對理解高溫超導體奇異正常態的的性質，核對總和建立新的理論，具有重要的推動作用。
相關工作得到科學院，基金委和科技部項目的資助。（來源：中國科學院物理研究所）
Nature原文論文
Coexistence of Fermi arcs and Fermi pockets in a high-Tc copper oxide superconductor
Nature 462, 335-338 (19 November 2009) | doi:10.1038/nature08521; Received 14 May 2009; Accepted 10 September 2009
Jianqiao Meng1, Guodong Liu1, Wentao Zhang1, Lin Zhao1, Haiyun Liu1, Xiaowen Jia1, Daixiang Mu1, Shanyu Liu1, Xiaoli Dong1, Jun Zhang1, Wei Lu1, Guiling Wang2, Yong Zhou2, Yong Zhu2, Xiaoyang Wang2, Zuyan Xu2, Chuangtian Chen2 & X. J. Zhou1
1. National Laboratory for Superconductivity, Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
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1986年銅氧化物高溫超導體的發現,對凝聚態物理提出了許多根本性而又極具挑戰性的重要問題。銅氧化合物高溫超導體的母體為反鐵磁絕緣體, 隨著載流子的引入，它逐漸演變為金屬和超導體。研究發現, 在摻入少量載流子的欠摻雜區域，高溫超導體表現出的一系列奇異的正常態(超導溫度Tc以上)性質，明顯偏離經典的金屬理論--藍道費米液體理論。一個尤為奇異的現象是在欠摻雜區域”贗能隙”的存在。在傳統超導體中，超導能隙(打開電子對所需要的能量)只有在材料進入超導態(Tc以下)才打開。但在銅氧化物高溫超導體的欠摻雜區域，在Tc以上一定的溫度範圍，儘管材料還沒有超導，已經有所謂的贗能隙打開。理解欠摻雜區域的奇異物性,特別是贗能隙的本質及其與超導電性的關係，對理解高溫超導機理具有關鍵的作用。
高溫超導體的母體在摻入少量載流子後的欠摻雜區域，費米面應具有什麼樣的拓撲形狀？這是理解高溫超導體奇異物性的最基本的問題, 也是20多年來在理論和實驗兩方面一直爭議不斷的重要問題。在理論上，不同的理論框架對費米面的拓撲形狀給出截然不同的預言。如有的認為可能形成大的費米面，有的認為應該形成費米弧 (Fermi arc), 有的則認為應該形成費米口袋(Fermi pocket). 在實驗上，不同的實驗方法得到的結果也不一致。如近期的一系列量子振盪實驗，表明在欠摻雜樣品中可能存在費米口袋. 角分辨光電子能譜(ARPES)作為對費米面能夠進行直接測量的實驗手段，得到的結果都是支援費米弧的圖像。
中科院物理所周興江研究小組，利用超高解析度的真空紫外雷射角分辨光電子能譜，在對銅氧化物高溫超導體的電子結構研究中,取得重要進展。他們在實驗上不僅直接觀察到費米口袋的存在，而且觀察到費米口袋和費米弧的共存。相關結果發表在2009年11月19日出版的Nature上 （Jianqiao Meng et al., Nature 462(2009)335）， 在超導領域引起強烈反響。
圖1. 雷射角分辨光電子能譜測量的欠摻雜Bi2(Sr2-xLax)CuO6 (x=0.73, Tc=18K) 樣品的費米面（圖1a）和對應的能帶結構(圖1b-f)。 圖1中的主費米面LM和費米面LP形成一個閉合的費米口袋（Fermi pocket）.
圖1顯示的是採用真空紫外雷射角分辨光電子能譜測得的欠摻雜Bi2201高溫超導體的費米面(圖1a) 及相應的能帶結構（圖1b-f）。圖1中除了強信號的主費米面LM外，還觀察到另外3個弱費米面。其中，費米面LP與主費米面LM相交，形成一個封閉的費米面--即費米口袋。通過仔細的實驗和分析，可以排除LP費米面是由非本征因素引起的可能性。 而且LP的信號強度不到主費米面LM的1/20。因此，真空紫外雷射角分辨光電子能譜儀的高精度和高資料品質，對能觀察到費米口袋起著重要的作用。
圖2. Bi2(Sr2-xLax)CuO6樣品的費米面隨摻雜的演變: (a). x=0.84, Tc=3k; (b). x=0.73, Tc=18K; (c). x=0.60, Tc=26K; (d). x=0.40, Tc=32K. 在Tc=18K(b)和26K(c)的樣品中可以看到費米口袋，但在重欠摻雜的Tc=3K樣品（a）和在最佳摻雜的Tc=32K樣品(d)中則沒有觀察到費米口袋。
費米口袋表現出特別的摻雜依賴關係。圖2顯示的是4種不同摻雜的Bi2201樣品測得的費米面。其中前3個樣品為欠摻雜樣品，超導轉變溫度分別為3K（圖2a），18K (圖2b)和26K（圖2c），第4個樣品為最佳摻雜（圖2d）。可以看出，費米口袋在最佳摻雜樣品中沒有出現（圖2d），而在重欠摻雜的樣品中也沒有觀察到（圖2a）。費米口袋只在欠摻雜區域，適當的摻雜範圍才出現 （圖2b和2c）。
圖3.Bi2201超導體（Tc=18K）中費米口袋和費米弧的共存。圖3a顯示的是超導態的費米面。圖3 b和3d則分別顯示的是沿著主費米面LM和費米口袋LP上的光電子能譜曲線。圖3f顯示的是正常態的費米面及相應的光電子能譜曲線（圖3g-j）。
一個尤為獨特的現象是費米口袋和費米弧的共存。圖3顯示的是在超導溫度以上（圖3上半部分）和以下（（圖3下半部分）分別測得的費米面以及費米面上對應的光電子能譜曲線，由此可以獲得能隙的資訊。由圖3c和3e可以看出，在超導溫度以下，主費米面LM和費米口袋LP上都形成了各向異性的超導能隙。但在超導溫度以上的正常態，由圖3h和3j可以看出，費米口袋LP上的能隙已消失，但主費米面 LM只在節點區域的能隙消失，而在遠離節點靠近反節點區域能隙依然存在。圖3f中以紫色實心圓點表示在費米口袋LP和主費米面LM上能隙消失的區域，由此可以看出，主費米面上的無能隙區域（費米弧）的長度，看來要比費米口袋長。這就形成了一個有趣的費米口袋（無能隙LP和部分無能隙LM形成的封閉費米面）和費米弧（主費米面LM上的無能隙區域）共存的現象。
實驗觀察到的費米口袋為空穴型, 它的面積大小與樣品的摻雜濃度相對應（圖2i）。這些結果，加上費米口袋在布裏淵區中的位置（圖2i）以及獨特的摻雜演變（圖2），對確立欠摻雜區域費米面的形狀，檢驗已有的各種理論提供了重要的資訊。對實驗觀察到的費米口袋的形成機理，有些理論顯然不符。基於P. W. Anderson最初提出的共振價鍵理論（RVB）的唯象理論，在幾個重要的方面和實驗觀察到的費米口袋符合較好，但仍有不一致之處。在正常態費米口袋和費米弧的共存，則是目前理論完全沒有預計到的新的情形。因此，該研究結果, 對理解高溫超導體奇異正常態的的性質，核對總和建立新的理論，具有重要的推動作用。
相關工作得到科學院，基金委和科技部項目的資助。（來源：中國科學院物理研究所）
Nature原文論文
Coexistence of Fermi arcs and Fermi pockets in a high-Tc copper oxide superconductor
Nature 462, 335-338 (19 November 2009) | doi:10.1038/nature08521; Received 14 May 2009; Accepted 10 September 2009
Jianqiao Meng1, Guodong Liu1, Wentao Zhang1, Lin Zhao1, Haiyun Liu1, Xiaowen Jia1, Daixiang Mu1, Shanyu Liu1, Xiaoli Dong1, Jun Zhang1, Wei Lu1, Guiling Wang2, Yong Zhou2, Yong Zhu2, Xiaoyang Wang2, Zuyan Xu2, Chuangtian Chen2 & X. J. Zhou1
1. National Laboratory for Superconductivity, Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
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