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理学院在高温超导材料的超导机理研究方面取得重要进展
来源: 日期2017-09-03 08:33 点击:

当一些物质的温度降低到特定温度之下,其电阻将降低到零,电子在其中的传导不会发生耗散,这样的现象被称为超导。1911年,荷兰物理学家Heike KamerlinghOnnes发现水银在4K以下将发生超导现象。这是人类发现的第一种超导体。水银中的超导来源于电声子吸引作用导致电子形成Cooper配对,属于常规超导体。但是受限于电声子耦合的强度,常规超导体的超导温度在常压下低于25K,很难有大规模的实际应用。对于具有更高超导温度材料的寻找一直都是物理学中最热门的方向。1986年,德国物理学家Georg Bednorz和瑞士物理学家K. Alex Müller发现铜氧化合物LaBaCuO的超导温度可达35K。2008年,日本科学家Hideo Hosono(细野秀雄)发现铁基材料LaO1xFxFeAs的超导温度为26 K。以铜氧化合物超导体和铁基材料超导体为代表,因为其超导温度相对较高被称作高温超导体。一般认为高温超导体的超导机理不是电声子耦合,而更可能来自于电子之间的相互关联作用。然而到现在为止对高温超导体的超导机理依然没有一个公认的理论解释。高温超导体的超导机理问题是现代物理学所面临的最大挑战之一。

FeSe是一种晶体结构非常简单的铁基超导体。在常压下,其块材超导温度只有8K。当外界压强增加时,其块材超导温度最大可以上升到37 K。然而2012年清华大学的薛其坤小组发现生长在SrTiO3表面的单层FeSe薄膜可以有很高的超导温度。后续实验发现其超导温度可以达到65-100 K,远远高于FeSe块材的超导温度。光电子能谱的实验进一步发现,在FeSe/SrTiO3的费米面上只存在电荷口袋,而在FeSe块材中可见的空穴口袋完全消失。FeSe/SrTiO3材料带来了两个相互关联的问题:其一,单层FeSe薄膜在SrTiO3上是如何生长的,尤其是界面上的原子是如何排布的?其二,FeSe/SrTiO3材料中超导温度激增的原因是什么?如果回答了这两个问题,就可以对寻找或设计其它具有更高超导温度的材料提供理论参考。

西安交通大学理学院的张朋教授与美国耶鲁大学应用物理系的S. Ismail-beigi研究团队,以及美国罗格斯大学物理系的K.Haule研究团队合作,采取数值模拟的方法给出了生长在SrTiO3上的单层FeSe薄膜在其交界处准确的原子位置排布。以此原子排布结构为基础得到的电子能谱与光电子能谱实验的测量结果相一致。进一步的研究表明,电子之间的关联强弱,以及与之相关的超导转变温度,由Fe原子和Se原子所形成的四面体中的Se-Fe-Se键夹角所决定。在FeSe/SrTiO3材料中,其Se-Fe-Se键夹角大约为109,而这正是给FeSe块材加压使其达到最高超导温度时所对应的Se-Fe-Se键夹角。针对FeSe/SrTiO3材料中空穴口袋的消失,张朋教授与合作者提出其超导配对机制应为轨道反相S+-配对,而非一般的S+-配对。这项工作明确了FeSe/SrTiO3材料的晶体结构,特别是其界面处的原子排布。工作强调了强电子-电子关联作用,例如Hubbard作用以及Hund耦合对于正确描述铁基超导体具有决定性的意义。这项工作对进一步研究FeSe/SrTiO3材料,以及寻找和设计具有类似晶体结构的更高超导温度的高温超导材料提供了理论基础。

该研究成果近期发表在国际物理学研究领域顶级期刊Physical Review Letters上( Phys. Rev. Lett. 119, 067004 (2017),期刊2016年影响因子为8.462)。西安交通大学理学院的张朋教授为唯一通讯作者,西安交通大学理学院物理系为唯一通讯单位。张朋教授在2015年加入西安交通大学理学院物理系,主要研究方向为对强关联材料的数值模拟,材料在极端条件下的性质,以及开发新的数值模拟方法。

 
 
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责任编辑:杨欣玥
 
 
 
 
 
 
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