超导体“正常”态的新认识：为破解谜团另辟蹊径

诸平

据物理学家组织网（Phys.org.）2017年5月11日报道，美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究人员对于超导体的新“正常”态的理解可能会对于解决长期存在的难题提供了新曙光,相关研究结果已于2017年5月8日在《自然物理》（Nature Physics）杂志网站发表——Zhenyu Wang, Daniel Walkup, Philip Derry, Thomas Scaffidi, Melinda Rak, Sean Vig, Anshul Kogar, Ilija Zeljkovic, Ali Husain, Luiz H. Santos, Yuxuan Wang, Andrea Damascelli, Yoshiteru Maeno, Peter Abbamonte, Eduardo Fradkin, Vidya Madhavan. Quasiparticle interference and strong electron–mode coupling in the quasi-one-dimensional bands of Sr₂RuO₄. Nature Physics, (2017). doi:10.1038/nphys4107. Published online 08 May 2017.

图1是伊利诺伊大学香槟分校提供的物理学教授维迪雅·马德哈万（Vidya Madhavan）与她的学生在伊利诺伊大学弗雷德里克·塞茨实验室（Frederick Seitz Materials Research Lab）的她自己实验室的照片，维迪雅·马德哈万教授专门从事凝聚态物质研究。

Vidya Madhavan, a professor of physics at the University of Illinois at Urbana-Champaign, works with students in her lab, in the Frederick Seitz Materials Research Lab. Madhavan specializes in condensed matter experimentation. Credit: University of Illinois at Urbana-Champaign

自20年前发现非传统的拓扑超导体Sr₂RuO₄以来,科学家在低于其临界温度(T_c)1 K条件下对其属性进行了广泛研究,在此温度下凝聚态物质会发生相变，从金属态转化为超导态。现在伊利诺伊大学香槟分校维迪雅·马德哈万教授实验室和Abbamonte实验室合作，涉及来自美国、加拿大、英国和日本6个机构的研究人员参与所做的多次实验,已经显示出这种材料在T_c之上4 K的电子性质。该研究团队的发现可能对于至今尚未阐明的Sr₂RuO₄在超导态显示出的性质作出解释。合作研究人员除了来自美国伊利诺伊大学香槟分校的之外，还有来自美国波士顿学院（Boston College）、美国标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）、英国牛津大学（Oxford University）、英国鲁道夫·佩尔斯理论物理中心（Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics）、加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）以及日本京都大学（Kyoto University）的研究人员。维迪雅·马德哈万是此研究项目的领导者，她不仅是伊利诺伊大学香槟分校的物理学教授，也是弗雷德里克·塞茨材料研究实验室的成员。她解释说,“我们开始普遍假设,Sr₂RO₄在高于其T_c的正常金属状态,电子的相互作用极其微弱,所以定义激发或电子态光谱是良好的。然而,我们的研究团队的观察结果并非如此，而是在正常金属状态下电子的相互作用是很大的，这的确是一大惊喜。金属中的电子被定义是具有动量和能量。简单的金属,在低温下电子通过一个费密面（Fermi surface）在有界区域而占据所有动量态。我们发现在某些方向电子穿过费米面的速度被减少了约50%,这是一种出乎意料的现象。我们在此状态的隧道密度中也看到类似的交互作用。这种显著地减少本身就是一个大大的惊喜。我们以为我们会发现费米面的形状,相反,我们得到这些异常现象。”

伊利诺伊大学香槟分校凝聚态物质态理论研究所主任、物理学教授爱德华多·弗拉德金（Eduardo Fradkin）评议说：“这种材料的基本电子性质早已被人们有所认识。科学家研究这种材料,因为它被认为是一个简单的测试科学影响的系统。但是,这种材料也一直是超导领域存在争议的根源:这是一种具有自旋三重态配对（spin-triplet pairing）的p波超导体（p-wave superconductor）。这表明,此种超导态在性质上可能是拓扑型的。了解此系统是如何变成为超导体是一个开放而有趣的问题。”

对于这种材料超导态令人费解属性的突破性理解，可能就在于这种不同寻常的正常态即非超导态。在低温条件下，以传统的正常金属态存在,电子能态的行为定义良好的准粒子（quasi-particles）,如兰道-费米液体理论（Landau-Fermi liquid theory）所描述的。但研究人员在5 K条件下发现了粒子间相互作用的异常现象，实际上使Sr₂RuO₄显示出具有一种“强相关金属（strongly correlated metal）”的特征。

在实验中,维迪雅·马德哈万的研究团队让电子通过用于电子金属尖端的材料,然后使用两个高度发达和互补的技术测量通过电流,此技术分别是傅里叶变换扫描隧道谱（Fourier transform scanning tunneling spectroscopy）和动量分辨电子能量损失谱（momentum resolved electron energy loss spectroscopy）。在4个数据运行中,科学家与费米液体（Fermi-liquids）相比发现电子隧穿接近于零能量的概率显著改变。

此项目的领导者维迪雅·马德哈万教授说：“看到如此丰富的信息我们几乎惊呆了。我们开始与爱德华多商讨此理论，与彼得·阿巴蒙特（Peter Abbamonte）讨论他的实验。彼得·阿巴蒙特研究小组应用动量分辨电子能量损失谱技术也发现在同样的能量下与集体模式的相互作用。

维迪雅·马德哈万教授继续说：“现在开放的问题,我们在超导相变之上4 K发现了一些有趣的事情。最为重要是在低于超导温度条件下究竟会发生了什么?”维迪雅·马德哈万的研究小组计划下一步深入研究这个问题。“当维迪雅进入超导态时,我们将知道的更多,“伊利诺伊大学香槟分校凝聚态物质态理论研究所主任、物理学教授爱德华多·弗拉德金肯定地说，“这些发现将使她在即将到来的实验中，采取一种独特的方法来揭示这种材料的超导有序参数。”更多信息请注意浏览原文。

Abstract

The single-layered ruthenate Sr2RuO4 is presented as a potential spin-triplet superconductor with an order parameter that may break time-reversal invariance and host half-quantized vortices with Majorana zero modes. Although the actual nature of the superconducting state is still a matter of controversy, it is believed to condense from a metallic state that is well described by a conventional Fermi liquid. In this work we use a combination of Fourier transform scanning tunnelling spectroscopy (FT-STS) and momentum-resolved electron energy loss spectroscopy (M-EELS) to probe interaction effects in the normal state of Sr2RuO4. Our high-resolution FT-STS data show signatures of the β-band with a distinctly quasi-one-dimensional (1D) character. The band dispersion reveals surprisingly strong interaction effects that dramatically renormalize the Fermi velocity, suggesting that the normal state of Sr2RuO4 is that of a ‘correlated metal’ where correlations are strengthened by the quasi-1D nature of the bands. In addition, kinks at energies of approximately 10meV, 38meV and 70meV are observed. By comparing STM and M-EELS data we show that the two higher energy features arise from coupling with collective modes. The strong correlation effects and the kinks in the quasi-1D bands could provide important information for understanding the superconducting state.