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物理所等提出新的重费米子超导机理,深入分析CeCu2Si2超导配对及其能带结构

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CeCu2Si2超导的发现不仅仅具有开创的意义,还确立了以磁性量子临界涨落为配对胶水,诱导重电子发生d波配对的基本理论图像,成为描述重费米子超导的标准范式之一。这一图像也得到了中子散射、核磁共振、转角比热等众多实验支持,30多年来似乎已成定论。但是在2014年,故事突然发生了翻转。日本科学家在更高质量的CeCu2Si2单晶样品中做了更精细的比热测量,发现当温度低至60
mK时,比热系数呈现指数的温度依赖关系,并且随磁场线性增加,数据拟合表明超导应具有两个无节点能隙,而非先前以为的有节点d波能隙。随后的穿透深度、转角比热等实验也都支持无节点两能隙的结论。同时考虑到多带效应,最新分析表明无节点两能隙s±配对也能解释核磁共振等先前以为支持d波的实验数据。

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图3:常压下CeCu2Si2超导的理论相图,强带间散射可以导致无节点s±波解,图中d波区间的范围被高估。

这些新的实验结果否定了传统的单带d波配对的简化图像,表明多个费米面的存在对超导配对具有重要的影响。但是基于第一性原理和随机相或微扰近似的计算只能得到d波或具有环形节点的s波解,与实验不符。

图1. CaKFe4As4的双层结构和多重费米面

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为了解决这一问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX9组研究员杨义峰指导博士研究生李宇与刘敏对CeCu2Si2超导配对及其能带结构进行了深入分析。他们同时考虑了体系中的电子和空穴型费米面,发现当两个费米面之间存在较强的库珀对散射时,可以得到无节点的s±波解,其能隙比值也与实验相符,首次为解释实验提供了可能的理论基础。

在铁基超导体中,理论上认为超导来自于多个费米面之间的嵌套效应,不同费米面上的能隙符号相反的s±波,库伯对同为自旋单态。因此,原则上在嵌套波矢附近将能观测到自旋共振模,这被诸多实验随后证实。但非常令人困惑的是,铁基超导体中的自旋共振模与铜基高温超导体似乎存在不少差异,且与s±波的理论预言存在很大的出入,比如:它的能量展宽远大于分辨率,在动量空间存在明显的三维特性甚至是严重的色散,在自旋空间因为轨道效应导致部分各向异性,部分样品中共振能量似乎可以超越两倍超导能隙,部分样品中甚至存在双重共振模式。并且,铁基超导自旋共振中奇偶调制模共存现象一直未能被发现,令人怀疑它与铜基超导电性可能有不同微观起源。

这些新的实验结果否定了传统的单带d波配对的简化图像,表明多个费米面的存在对超导配对具有重要的影响。但是基于第一性原理和随机相或微扰近似的计算只能得到d波或具有环形节点的s波解,与实验不符。为了解决这一问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX9组研究员杨义峰指导博士研究生李宇与刘敏对CeCu2Si2超导配对及其能带结构进行了深入分析。他们同时考虑了体系中的电子和空穴型费米面,发现当两个费米面之间存在较强的库珀对散射时,可以得到无节点的s±波解,其能隙比值也与实验相符,首次为解释实验提供了可能的理论基础。新理论还认为先前计算所得到的d波和环形节点s波解分别来自于电子和空穴型费米面本身,在压力下,电子型费米面消失,超导会从无节点s±波过渡到仅由空穴费米面诱导的有节点s波配对,从而解释高压下观测到的新超导相。这一结果表明在实际重费米子材料中,多个费米面的存在和费米面之间的对散射会导致完全不同于传统单带图像的全新结果;而是否存在较强的面间对散射,则很大程度上依赖于每个费米面的轨道特征,以及与之相关的轨道涨落。现有第一性原理计算过高估计了电子型费米面的嵌套和由此导致的d波超导解,未来需要更好地处理强关联效应对费米面和配对作用的影响。

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最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC8研究组谢涛和罗会仟等,利用非弹性中子散射首次研究了新型112结构体系铁基超导体的自旋涨落,并成功发现了其中的自旋共振模。他们证实了自旋共振能与临界温度满足线性标度关系,自旋共振强度并不与其费米面结构直接相关,在自旋-轨道耦合很弱情形下观测到的自旋共振是完全空间各向同性的,与Spin-1集体激发模图像吻合(Tao
Xie et al., Phys. Rev. Lett.澳门新匍京客户端下载, 120, 137001
。进而他们开展了另一个新型铁基超导体系——1144型材料CaKFe4As4的首次非弹性中子散射实验,发现了对应不同能量峰的三重自旋共振模,并揭示其分别具有奇偶调制模式,共振能量与超导能隙成正比关系。

图2:三类超导解的能隙结构及其角度依赖性。

在重费米子超导体中,正常态重电子的有效质量可以达到自由电子质量的上百倍,其特征费米能量也相应削减,只有meV的量级。1979年,德国科学家Frank
Steglich等人首先在CeCu2Si2中发现了重费米子超导,其超导转变温度约为0.6
K,为重电子费米能的5%,远大于一般的元素超导体,堪称“高温超导体”。同时其德拜温度又远大于重电子费米能,无法用传统的BCS超导理论解释,需要新的超导机理。这一发现开创了非常规超导的研究领域,奠定了重费米子超导的历史地位。过去40年间,重费米子超导家族日益增长,目前已发现有40余种材料可在常压或压力下超导[物理学报64,217401]。与其他非常规超导体系相比,重费米子超导体呈现出更加多样的竞争序,丰富了非常规超导的研究。

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