两位华人院士合作，超导，最新Science！
纳米技术
2024-08-20
通讯作者：沈志勋院士、李东海院士、Makoto Hashimoto教授在掺杂的n型Nd2-xCexCuO4. 铜酸盐化合物中，发现由长程有序的反铁磁能够重建费米面，因此形成了具有小型Fermi口袋（Fermi pocket）的反铁磁性金属。有鉴于此，斯坦福大学沈志勋院士、Makoto Hashimoto教授、加州大学伯克利分校李东海院士等通过角分辨XPS表征技术发现在欠掺杂区间（underdoped Regime）的大部分区域都具有一个异常的能带，这个异常能带比反铁磁能带低一个数量级。而且当处于最佳的掺杂情况与超导能带实现非常平滑的连接。作者通过与相图结合并且考虑所有已知的排序可能性趋势，认为欠掺杂状态的n型铜酸盐产生的常规型能带来自库伯对（Cooper pairing）。常规能带的高温部分能够改善设计n型铜酸盐材料，发展更具有更高转变温度的n型铜酸盐超导材料，从而达到p型铜酸盐的水平。 图1. Nd1.89Ce0.11CuO4的电子结构研究x=0.11时，Nd2-xCexCuO4组成为Nd1.89Ce0.11CuO4的电子结构。在x=0.11时，材料具有长程反铁磁的磁序，磁化率测试结果显示，不具有整体超导结构。在8 K时，费米能级附近具有恒定能量的光电发射强度。费米能级附近20 meV的能态是由位于（0，π）电子口袋产生。分别在三个不同位置绘制能量-动量关系图。在布里渊区附近，最大的重构价带位于费米能级以下的~50 meV处。这种能量分离是反铁磁能带（ΔAF），由于ΔAF内没有明确的色散行为，因此无法定义费米动量（kF）的数值。为了消除干扰，作者使用费米能级的动量分布曲线的峰值（kpeak）定义费米面的位置。当kpeak接近重构口袋时，反铁磁能带ΔAF的中心的位置由高于费米能级降低到低于费米能级的位置，在接近布里渊区的边缘的色散表现了非常明显的费米能级交叉，从而能够用于确定费米动量（kF）。 图2.Nd1.89Ce0.11CuO4的低能量能谱通过欠掺杂n型铜酸盐中发现的正常带隙（NSG）结构，作者确定其在相图中的位置。将掺杂导致的布里渊区边界能带变化以及Tfill（间隙填充的热力学温标，表示光谱中没有形成明显的双峰）的变化作图。作图给出的结果显示，NSG带隙结构发生的位置在（0，π）费米面，因此在半填充状态NSG带隙不会转变为Mott带隙。 相图表现了Tmin（电阻在Tmin温度达到最小值）现象，超导圆顶区域的电阻增加现象是由于磁场抑制了超导效应产生。通过相图达到以下结论：（i）在欠掺杂样品中的电阻最小温度与Tfill的变化情况一致，（ii）反铁磁能带的开启温度和能量尺度比Tfill和ΔNSG高一个数量级，（iii）在大多数掺杂的样品中，电荷密度波相关性的产生温度（通过X射线散射表征或者RXS得到）明显高于Tfill温度，而且掺杂的趋势与Tfill正好相反。图3.Nd2-xCexCuO4体系的低能量能谱随掺杂量改变的变化随后进一步研究NSG能带结构产生的原因，发现反铁磁性并不是导致产生NSG能带产生的直接原因，因此认为NSG能带有可能是电荷密度波（CDW）导致。通过研究NSG随着CDW信号变化的变化，发现ΔNSG与CDW之间随着掺杂和温度变化呈现相反的规律，说明CDW也不是导致产生NSG带隙的直接原因。根据掺杂导致CDW Q波部分的变化趋势遵循布里渊区的边缘费米动量的变化，说明CDW对NSG具有间接的影响。 通过对ΔNSG与ΔSC变化之间的规律、ΔNSG的粒子-空穴对称性现象，作者猜测NSG是一种成对的能带（pairing gap）。作者分别对s波对称性和d波对称性进行研究，发现s波和d波具有不同的特点，d波对称性在费米能级面具有各向同性的特点，s波对称性产生节点型带隙结构。作者讨论了NSG的成对机理。发现费米面的平行区域之间的电子散射的声子能够导致CDW成对和d波成对。通过电子-声子散射开启了d波成对和s波成对。但是由于电子之间相互排斥作用的影响，在能量上更容易发生d波成对。研究结果说明，欠掺杂区域的n型铜酸盐具有独特的NSG能带（常规带隙，normal-state gap）。如果NSG能带像作者文中认为的那样具有成对特点，有可能对超导材料研究产生重大意义。因为，ΔNSG的高温特点和较高的带隙能量值说明有可能产生高温超导现象，而且形成的高温超导有可能达到p型铜酸盐具有的高温超导温度（这是因为，人们通常认为n型铜酸盐无法产生高温超导的原因是库伯对的迁移率非常低）。作者认为通过进一步的理论和实验有助于理解对称性和成对的微观机理能够调控费米面。 沈志勋，男，现任斯坦福大学讲席教授，斯坦福大学SLAC国家实验室首席科学家，美国国家科学院院士，美国人文和科学院院士。1962年7月生于浙江，1983年毕业于复旦大学，1989年获美国斯坦福大学博士学位。2017年当选为中国科学院外籍院士。 沈志勋院士在凝聚态物理和复杂材料研究中做出了开创性工作，是学术界公认的凝聚态物理领域国际一流科学家。他获得物理领域一些最重要的国际奖项：斯隆基金会研究员奖（1993）；美国能源部基础能源科学杰出成就奖（1994）；美国物理学会百年大庆特邀演讲（1999）；2000年获首届国际超导实验物理最重要的大奖：H. Kamerlingh Onnes Prize；2009年获美国能源部代表美国总统颁发的科学大奖：Ernest Oland Lawrence Award；2011年获美国物理学会的凝聚态物理的最高奖：Oliver E. Buckley Prize。沈志勋院士发展并开拓了电子的能量、动量、自旋、时间和空间的高精密测量及其在凝聚物理学及其相关的交叉学科的应用。为某些学科的兴起发挥了关键性的、有的是决定性的作用。特别是他对现代角分辨光电能谱的发展和对铜基超导体和其他量子材料的认知做出了开拓的贡献，改变了强关联材料的研究格局。他还在现代光源和自由电子激光以及量子材料原位生长领域均做出了重要的贡献，对未来凝聚态物理、材料、能源、信息等相关学科的发展具有很大潜力。沈志勋教授先后在Nature, Science，Review of Modern Physics, Physical Review Letters等国际顶尖杂志上已经发表高水平论文1320余篇，论文被SCI总引用超过7万次，其中单篇被引用>1000次超过10篇；H因子128。他的奠基性工作和学术带头人作用被国际同行普遍认可，先后在重要学术会议上做邀请报告300多次，是国际上该领域领军人物。他培养的学生和博后现已有35位成为国际知名大学的教授，包括加州大学伯克利分校,康奈尔大学, 约翰霍普金斯大学，普林斯顿大学，德州大学奥斯汀分校，东京大学，东京工业大学，大阪大学, 巴黎大学，牛津大学、日内瓦大学、复旦大学等。 李东海（Dung-Hai Lee），加利福尼亚大学伯克利分校教授。Dung-Hai Lee教授于台湾清华大学毕业。1977年赴麻省理工学院攻读研究生，1982年获物理学博士学位。在麻省理工学院又进行两年研究，他在1984年加入了IBM T.J. Watson研究中心。1994年2月加入 加利福尼亚大学伯克利分校。2023年当选美国艺术与科学院院士。Dung-Hai Lee教授是一位理论凝聚态物理学家。他研究的主要目标是发现新的物质状态并了解它们的物理性质。Ke-Jun Xu et al., Anomalous normal-state gap in an electron-doped cuprate.Science 385,796-800(2024)DOI: 10.1126/science.adk4792https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4792
