研究揭示新高温超导体电子结构 新年伊始，复旦大学物理系应用表面物理国家重点实验室及先进材料实验室的封东来教授课题组在高温超导研究领域便传捷报。该组运用角分辨光电子能谱仪（Angle-resolved Photoemission Spectroscopy，ARPES）率先揭示了2010年末发现的新型铁基高温超导体K x Fe 2 Se 2 与众不同的奇异的电子结构。该成果已于2011年2月27日在线发表在国际一流刊物《自然—材料学》（ Nature Materials ）。 上左图：超导的迈斯纳效应导致超导体可在磁场中悬浮 上右图：影片《阿凡达》中的常温超导矿石和在地磁场中悬浮的哈利路亚山 超导现象是20世纪人类最重大的发明之一。1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到零下268.98℃的转变温度时，汞的电阻突然消失了，电流可以毫无阻力地通过导线；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。这一发现引起了世界范围内的轰动。此后，人们将处于超导状态的导体称为超导体，将具有在一定的低温条件下呈现出零电阻以及排斥磁力线的性质的材料称为超导材料。1911年被作为超导元年。科学研究总是与社会生活相辅相成，与美好的想象相伴相随。超导现象的出现，让科学家们大胆设想：如果能将超导材料的转变温度提高到室温，人们生活的方方面面将因此经历一次新的革命，人们将再也不会为电子产品发热而苦恼、一次充电就可能维持手提电脑几个月的使用、出门就能轻松乘坐时速几百公里以上的磁悬浮“无轮”列车……这些画面虽然另人神往，但到目前为止，人们也只能在科幻电影《阿凡达》中的潘多拉星球上领略到超导的绝美之处。 100年来，科学家们为提高超导材料的转变温度的步伐从未停止过： 到了上世纪70年代，常规超导的转变温度，已经达到零下250℃左右。 1986年，科学家发现了铜氧化物“高温”超导体，因为相对于常规超导，其转变为超导体的转变温度可达零下120℃之高。但是至今为止，铜氧化物的超导机理仍然是困扰科学家的难题。 2008年，铜氧化物不再孤独，铁基化合物成为高温超导家族的第二个成员。虽然其转变温度目前最高才达到零下217℃，但它的出现不仅意味着物理学家可以在这个新超导家族中探索转变温度更高的超导体，同时通过比较铜氧化物和铁基化合物这两种高温超导体，可以找到关键线索，最终解开高温超导这个未解之谜。 封东来教授领导的科研组是国际上最早应用ARPES研究铁基高温超导体电子结构的小组之一。在科技部、国家自然科学基金委和上海市科委项目的支持下，他们和中国科学技术大学陈仙辉等小组合作，准确揭示了包含1111，111，122，11四系的10余种铁基材料的电子结构，给理论工作提供了有力的实验支持。在短短两年多时间里，封东来教授课题组在 Physical Review Letters , Physical Review B 等高水平科学杂志上已发表了17篇铁基超导体系列研究论文，有力推动了人们对铁基超导体的认识。 FeSe化合物和FeAs化合物截然不同的电子结构 就在铁基超导体的超导温度一直没有突破零下217度，其超导机理也没有得到解决的时候，一种新的铁基超导材料K x Fe 2 Se 2 近期问世，其超导转变温度达零下242度。其独特的性质更引起全世界物理学家的关注。封东来教授课题组通过对K x Fe 2 Se 2 进行各种本地和同步辐射实验测试，终于获得了其完整的电子结构，并且测得了各向同性的s波超导能隙。令人惊奇的是，这种材料的电子结构和以往的铁基超导体完全不同：整个费米面没有空穴, 而只存在电子。封东来教授课题组的这一研究发现意味着，K x Fe 2 Se 2 这种新的铁基超导体的配对机制及超导对称性都与其它已知铁基超导体不同，之前建立的铁基超导体的普遍图像将可能遭到颠覆；这也犹如一剂强心剂，进一步激发起了科学家们探索超导奥秘的热情，让高温超导研究再度升温。目前，该项研究已经在线发表在《自然—材料学》（ Nature Material ）上，为超导探索百年诞辰献上了一束美丽的迎春花，同时也预示着超导研究将迎来一个新的美丽春天。（来源：复旦大学）
“赝能隙”和超导状态之间的关系 高温铜氧化物超导体一个长久未解之谜是“赝能隙”（pseudogap）的存在。所谓“赝能隙”，是指一个与超导状态的特征能隙相似、但也在非超导状态中出现的能隙。Kohsaka等人对与超导现象和“赝能隙”状态相关的电子激发进行了详细研究，发现了两个非常不同的行为类型： 一个类型为在动量空间的状态，它们相应于对超导现象负责的、预期存在的离位电子对；另一个类型为局限于真实空间的一些异常状态，它们相应于“赝能隙”。这两种激发类型之间的关系，为“赝能隙”和超导状态之间仍然神秘的关系提供了一个新视角，强化了与绝缘母化合物性能的概念联系（在绝缘母化合物中，真实空间的电子局域化是它们行为的关键）。 How Cooper pairs vanish approaching the Mott insulator in Bi2Sr2CaCu2O8+ δ Y. Kohsaka 1 , 2 , C. Taylor 1 , P. Wahl 1 , A. Schmidt 1 , Jhinhwan Lee 1 , K. Fujita 1 , 3 , J. W. Alldredge 1 , 4 , K. McElroy 4 , Jinho Lee 1 , 5 , 6 , H. Eisaki 7 , S. Uchida 3 , D.-H. Lee 8 J. C. Davis 1 , 6 LASSP, Department of Physics, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA RIKEN, Wako, Saitama 351-0198, Japan Department of Physics, University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan Department of Physics, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, USA School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, North Haugh, St Andrews, Fife KY16 9SS, UK CMPMS Department, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 11973, USA Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA Correspondence to: J. C. Davis 1 , 6 Correspondence and requests for materials should be addressed to J.C.D. (Email: jcdavis@ccmr.cornell.edu ). Top of page Abstract The antiferromagnetic ground state of copper oxide Mott insulators is achieved by localizing an electron at each copper atom in real space ( r -space). Removing a small fraction of these electrons (hole doping) transforms this system into a superconducting fluid of delocalized Cooper pairs in momentum space ( k -space). During this transformation, two distinctive classes of electronic excitations appear. At high energies, the mysterious ‘pseudogap’ excitations are found, whereas, at lower energies, Bogoliubov quasi-particles—the excitations resulting from the breaking of Cooper pairs—should exist. To explore this transformation, and to identify the two excitation types, we have imaged the electronic structure of Bi2Sr2CaCu2O8+ δ in r -space and k -space simultaneously. We find that although the low-energy excitations are indeed Bogoliubov quasi-particles, they occupy only a restricted region of k -space that shrinks rapidly with diminishing hole density. Concomitantly, spectral weight is transferred to higher energy r -space states that lack the characteristics of excitations from delocalized Cooper pairs. Instead, these states break translational and rotational symmetries locally at the atomic scale in an energy-independent way. We demonstrate that these unusual r -space excitations are, in fact, the pseudogap states. Thus, as the Mott insulating state is approached by decreasing the hole density, the delocalized Cooper pairs vanish from k -space, to be replaced by locally translational- and rotational-symmetry-breaking pseudogap states in r -space. LASSP, Department of Physics, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA RIKEN, Wako, Saitama 351-0198, Japan Department of Physics, University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan Department of Physics, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, USA School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, North Haugh, St Andrews, Fife KY16 9SS, UK CMPMS Department, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 11973, USA Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
美国物理学家最近惊讶地发现，库珀电子对不仅存在于超导体中，它们在绝缘体中同样能够形成。这一成果十分重要，连Cooper本人也给予了高度评价。相关论文发表在11月23日的《科学》杂志上。 一个世纪前，荷兰物理学家Kamerlingh Onnes在金属中发现了低温超导现象。直到1957年，理论物理学家John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer才揭开了超导现象的奥秘。他们提出的BCS理论表明，超导材料中的电子成对存在，即所谓的“库珀对”，并且会在材料中平稳而无限地流动。 在BCS理论提出50周年之际，美国的物理学家又写下了令人惊讶的一笔。布朗大学的James Valles领导的小组研究发现，库珀对不仅仅形成于超导体中，在绝缘体中同样存在。论文第一作者、布朗大学的Michael Stewart注意到，此前一些论文表示，库珀对可能在特定条件下的电绝缘体中存在，因此他决定亲自对这一违反直觉的结论进行检验。“我并没有抱太大希望，但得到的结果却让我吃惊，”Stewart说。 研究利用的绝缘体是一种稀有金属——铋。在较厚的情况下，铋可以是良好的超导体，但在较薄的情况下，它又诡异地变为绝缘体。 研究人员在一个直径50纳米、多孔蜂窝结构的模板上镀了一层超薄铋膜（几个原子厚度），并将温度逐渐接近绝对零度。由于该材料厚度的差异，它会表现出绝缘体和超导体的转变。当该材料表现为绝缘体时，研究人员利用外加磁场探测到了磁致电阻导致的电流变化，表明了库珀对的存在。 研究人员认为，尽管库珀对在超导体和绝缘体中都能存在，但它们的行为和表现形式是不同的。在超导体中，电子对之间相互联系并且以线性的方式移动，从而创造出持续的电流。而在绝缘体中，库珀电子对应该是在独立自旋。Stewart表示，“库珀对确实形成了，但彼此之间的状态是隔离的。” 新的发现有助于加深科学家对超导现象的理解，连诺将得主Cooper自己也表示，新的发现对认识量子效应有重要意义。“这一引人注目的结论提醒我们，只要不断探索，意想不到的重要发现就在前方等候。”他说。（科学网 任霄鹏/编译） （《科学》（ Science ），Vol. 318. no. 5854, pp. 1273 - 1275，M. D. Stewart, Jr., James M. Valles, Jr.） Superconducting Pair Correlations in an Amorphous Insulating Nanohoneycomb Film M. D. Stewart Jr. 1 , Aijun Yin 2 , J. M. Xu 1 , 2 and James M. Valles Jr. 1 , * + Author Affiliations 1 Department of Physics, Brown University, 182 Hope Street, Providence, RI 02912, USA. 2 Division of Engineering, Brown University, 182 Hope Street, Providence, RI 02912, USA. * To whom correspondence should be addressed. E-mail: valles@physics.brown.edu Abstract The Cooper pairing mechanism that binds single electrons to form pairs in metals allows electrons to circumvent the exclusion principle and condense into a single superconducting or zero-resistance state. We present results from an amorphous bismuth film system patterned with a nanohoneycomb array of holes, which undergoes a thickness-tuned insulator-superconductor transition. The insulating films exhibit activated resistances and magnetoresistance oscillations dictated by the superconducting flux quantum h /2 e . This 2 e period is direct evidence indicating that Cooper pairing is also responsible for electrically insulating behavior.
赝能隙或是高温超导体新相位 a , Schematic of the spatial arrangements of CuO2 electronic structure with Cu sites and orbitals indicated in blue and O sites and 2 p σ orbitals in yellow. E F, Fermi energy. The inset shows the approximate energetics of the band structure when such a… a , Spatial image ( R -map 5 ) of the Bi2Sr2CaCu2O8 + δ pseudogap states ω ≈ Δ 1 at T ≈ 4.3 K for an underdoped sample with T c = 35 K. The inset shows the Fourier transform upon which the inequivalent Bragg vectors Q x = (1, 0)2 π / a 0 and Q y = (0, 1)2 π / a 0 are… a , Topographic image T ( r ) of the Bi2Sr2CaCu2O8 + δ surface. The inset shows that the real part of its Fourier transform Re T ( q ) does not break C4 symmetry at its Bragg points because plots of T ( q ) show its values to be indistinguishable at Q x = (1, 0)… 通过多年的观察，美国纽约州立大学宾汉姆顿学院物理学家迈克尔·劳勒和同事找到了解开高温超导领域所谓“赝能隙”现象的关键“钥匙”。“赝能隙”或许是高温超导物质的另外一个相位（phase）。新发现或将推进室温超导研究的发展。 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。科学家一直认为，超导体只能在极低的温度下才能导电，然而，1986年科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点。 高温铜氧化物超导体的一个长久未解之谜是“赝能隙”。“赝能隙”自从1989年被发现后，有关它的起源以及与超导之间的关系就一直是研究高温超导机理问题的核心。 所谓“赝能隙”现象，是指低能电子激发在高温超导物质中消失的现象，一种经历过这种罕见现象的物质将变得相当绝缘，但是，在其他方面却同超导体一样。因为这种现象可以在室温下发生，科学家相信，超导性可能也可以在室温下存在，因此，解决赝能隙与超导的关系，可以促进室温超导领域的发展。 劳勒同康奈尔大学、布鲁克海文国家实验室以及日本、韩国等实验室的物理学家携手，对多年来所研究的高温超导体Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ （Bi2212）收集到的关键数据进行了分析；另外，康奈尔大学提供的扫描隧道显微镜，让研究人员能够观察到很大范围内单个原子的活动。 迈克尔·劳勒团队发现，在该高温超导物质内部，每一个二氧化铜晶胞内两个相邻氧原子的电子状态完全不同，并在该物质电子结构内发现了一个被破坏了的对称。 他们将这一非对称电子状态与棒状聚合物进行了比较。普通原子一般只有固体、液体和气体三种相位，而棒状聚合物拥有更多的相位：在高温下处于气体状态，而在温度更低时，所有的棒都指向一个方向，与此同时，这些棒能够像气体或者液体一样四处移动，物理学家将这一物质状态称为向列相（nematic phase）。在这个相位下，棒的组织结构同研究人员在与赝能隙相关的电子状态内观察到的一样，也就是说，赝能隙与向列相非常接近。 劳勒因此大胆宣称，“赝能隙”实际上是这类超导物质的另一个相位。（来源：科技日报 刘霞） Nature Volume: 466 , Pages:347–351 Date published: (15 July 2010) DOI: doi:10.1038/nature09169
Hidden magnetic excitation in the pseudogap phase of a high- T c superconductor Yuan Li , 1 , 10 V. Balédent , 2 G. Yu , 3 N. Bariši ć , 4 , 5 , 10 K. Hradil , 6 R. A. Mole , 7 Y. Sidis , 2 P. Steffens , 8 X. Zhao , 4 , 9 P. Bourges 2 M. Greven 3 Affiliations Contributions Corresponding author Journal name: Nature Volume: 468 , Pages: 283–285 Date published: (11 November 2010) DOI: doi:10.1038/nature09477 Received 12 May 2010 Accepted 07 September 2010 Published online 10 November 2010 The elucidation of the pseudogap phenomenon of the high-transition-temperature (high- T c) copper oxides—a set of anomalous physical properties below the characteristic temperature T * and above T c—has been a major challenge in condensed matter physics for the past two decades 1 . Following initial indications of broken time-reversal symmetry in photoemission experiments 2 , recent polarized neutron diffraction work demonstrated the universal existence of an unusual magnetic order below T * (refs 3 , 4 ). These findings have the profound implication that the pseudogap regime constitutes a genuine new phase of matter rather than a mere crossover phenomenon. They are furthermore consistent with a particular type of order involving circulating orbital currents, and with the notion that the phase diagram is controlled by a quantum critical point 5 . Here we report inelastic neutron scattering results for HgBa2CuO4+ δ that reveal a fundamental collective magnetic mode associated with the unusual order, and which further support this picture. The mode’s intensity rises below the same temperature T * and its dispersion is weak, as expected for an Ising-like order parameter 6 . Its energy of 52–56 meV renders it a new candidate for the hitherto unexplained ubiquitous electron–boson coupling features observed in spectroscopic studies 7 , 8 , 9 , 10
标签: 超导体
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