中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在傳統超導體中，電聲子相互作用對超導電性的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用。在銅氧化物高溫超導體中，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)生高溫超導電性中的作用尚不清楚。在對銅氧化物高溫超導體多體效應的研究中，角分辨光電子能譜發(fā)揮了重要作用。前期對多種銅氧化物高溫超導體的角分辨光電子能譜研究表明，其節點(diǎn)方向能帶色散存在~70meV的扭折（kink）結構，在一些超導體的反節點(diǎn)附近能帶色散存在~40meV的扭折結構，超導態(tài)反節點(diǎn)區域光電子能譜曲線(xiàn)中存在“peak-dip-hump”（峰-谷-包）結構。已有的實(shí)驗結果比較零散，相互之間存在矛盾，特別是對這些結構起源的認識存在爭論，集中在是歸結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果。研究銅氧化物高溫超導體中的多體相互作用，對探討其中電子-玻色模相互作用的起源及其在產(chǎn)生高溫超導電性中的作用具有重要意義。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導國家重點(diǎn)實(shí)驗室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，對Bi系銅氧化物高溫超導體的電子結構進(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識。
高精度測量發(fā)現，銅氧化物高溫超導體光電子能譜曲線(xiàn)中存在著(zhù)更為精細的結構（兩個(gè)dip和兩個(gè)hump），表現在能帶上同時(shí)出現兩套類(lèi)似平帶的電子結構特征，對應的能量尺度分別為~70meV和~40meV。 這些特征不僅表現在沿節點(diǎn)方向的能帶結構中（圖1），而且出現在反節點(diǎn)區域的能帶結構中（圖2）。進(jìn)一步系統的測量發(fā)現，這兩個(gè)共存的能量尺度在不同材料中（Bi2Sr2CuO6+δ、Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ）、 在從節點(diǎn)方向到反節點(diǎn)的所有動(dòng)量空間中（圖3）、 在超導轉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超導態(tài)反節點(diǎn)區域發(fā)現的“peak-dip-hump”結構，實(shí)際上包含更為精細的“peak-double dip-double hump”結構，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。
不同銅氧化物超導體中~70meV和~40meV兩個(gè)能量尺度表現出類(lèi)似的動(dòng)量、摻雜和溫度依賴(lài)關(guān)系，說(shuō)明這兩個(gè)能量尺度對應相同的起源。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(guān)察到的精細電子結構及其隨動(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烈依賴(lài)于材料中的摻雜濃度和樣品溫度，這與實(shí)驗觀(guān)察到的結果不符。~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)驗發(fā)現，~70meV和~40meV兩個(gè)共存的能量尺度在超導轉變上下沒(méi)有隨著(zhù)超導能隙的打開(kāi)而出現明顯的移動(dòng)（圖4）。這種行為在傳統的電子-玻色模耦合圖像中難以理解，表明銅氧化物高溫超導體具有非常規的電子-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。
該工作全面系統地研究了銅氧化物高溫超導體中電子-玻色模耦合隨材料、動(dòng)量、摻雜和溫度的演變，發(fā)現了更精細的電子結構，提供了銅氧化物高溫超導體中多體相互作用的統一圖像，對探索電子-玻色模耦合的起源及其在產(chǎn)生高溫超導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《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）等的支持。
圖1.?在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中沿節點(diǎn)方向能帶中觀(guān)察到兩個(gè)共存的~70meV和~40meV能量尺度
圖2.?在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中反節點(diǎn)區域能帶中觀(guān)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(lài)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(lài)關(guān)系
