在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中,電聲子相互作用對超導(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)。已有的實驗結(jié)果比較零散,相互之間存在矛盾,特別是對這些結(jié)構(gòu)起源的認(rèn)識存在爭論,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(dǎo)國家重點實驗室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(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)進行深入研究,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。
高精度測量發(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dip和兩個hump),表現(xiàn)在能帶上同時出現(xiàn)兩套類似平帶的電子結(jié)構(gòu)特征,對應(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)點方向的能帶結(jié)構(gòu)中(圖1),而且出現(xiàn)在反節(jié)點區(qū)域的能帶結(jié)構(gòu)中(圖2)。進一步系統(tǒng)的測量發(fā)現(xiàn),這兩個共存的能量尺度在不同材料中(Bi2Sr2CuO6+δ、Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ)、 在從節(jié)點方向到反節(jié)點的所有動量空間中(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)點區(qū)域發(fā)現(xiàn)的“peak-dip-hump”結(jié)構(gòu),實際上包含更為精細(xì)的“peak-double dip-double hump”結(jié)構(gòu),在不同材料、所有動量、不同溫度和不同摻雜樣品中無處不在。
不同銅氧化物超導(dǎo)體中~70meV和~40meV兩個能量尺度表現(xiàn)出類似的動量、摻雜和溫度依賴關(guān)系,說明這兩個能量尺度對應(yīng)相同的起源。電子同時和兩個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烈依賴于材料中的摻雜濃度和樣品溫度,這與實驗觀察到的結(jié)果不符。~70meV和~40meV共存電子-玻色模耦合的無處不在性,支持聲子作為這兩種玻色模的起源。進一步的實驗發(fā)現(xiàn),~70meV和~40meV兩個共存的能量尺度在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變上下沒有隨著超導(dǎo)能隙的打開而出現(xiàn)明顯的移動(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)展進一步的理論來解析這兩個玻色模的耦合行為。
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《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)等的支持。
圖1. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中沿節(jié)點方向能帶中觀察到兩個共存的~70meV和~40meV能量尺度
圖2. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中反節(jié)點區(qū)域能帶中觀察到兩個共存的~70meV和~40meV能量尺度
圖3. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中兩個能量尺度隨動量的依賴關(guān)系
圖4. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中兩個能量尺度隨溫度的依賴關(guān)系