【儀表網 研發快訊】在傳統超導體中，電聲子相互作用對超導電性的產生起到決定性作用。在銅氧化物高溫超導體中，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生高溫超導電性中的作用尚不清楚。在對銅氧化物高溫超導體多體效應的研究中，角分辨光電子能譜發揮了重要作用。前期對多種銅氧化物高溫超導體的角分辨光電子能譜研究表明，其節點方向能帶色散存在~70meV的扭折(kink)結構，在一些超導體的反節點附近能帶色散存在~40meV的扭折結構，超導態反節點區域光電子能譜曲線中存在“peak-dip-hump”(峰-谷-包)結構。已有的實驗結果比較零散，相互之間存在矛盾，特別是對這些結構起源的認識存在爭論，集中在是歸結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果。研究銅氧化物高溫超導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生高溫超導電性中的作用具有重要意義。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室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勢，對Bi系銅氧化物高溫超導體的電子結構進行深入研究，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識。
 

　　高精度測量發現，銅氧化物高溫超導體光電子能譜曲線中存在著更為精細的結構(兩個dip和兩個hump)，表現在能帶上同時出現兩套類似平帶的電子結構特征，對應的能量尺度分別為~70meV和~40meV。 這些特征不僅表現在沿節點方向的能帶結構中(圖1)，而且出現在反節點區域的能帶結構中(圖2)。進一步系統的測量發現，這兩個共存的能量尺度在不同材料中(Bi2Sr2CuO6+δ、Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ)、 在從節點方向到反節點的所有動量空間中(圖3)、 在超導轉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超導態反節點區域發現的“peak-dip-hump”結構，實際上包含更為精細的“peak-double dip-double hump”結構，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。
 

　　不同銅氧化物超導體中~70meV和~40meV兩個能量尺度表現出類似的動量、摻雜和溫度依賴關系，說明這兩個能量尺度對應相同的起源。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電子結構及其隨動量和摻雜的演變關系。目前，銅氧化物高溫超導體中，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。進一步的實驗發現，~70meV和~40meV兩個共存的能量尺度在超導轉變上下沒有隨著超導能隙的打開而出現明顯的移動(圖4)。這種行為在傳統的電子-玻色模耦合圖像中難以理解，表明銅氧化物高溫超導體具有非常規的電子-玻色模耦合方式，需要發展進一步的理論來解析這兩個玻色模的耦合行為。
 

　　該工作全面系統地研究了銅氧化物高溫超導體中電子-玻色模耦合隨材料、動量、摻雜和溫度的演變，發現了更精細的電子結構，提供了銅氧化物高溫超導體中多體相互作用的統一圖像，對探索電子-玻色模耦合的起源及其在產生高溫超導電性中的作用具有重要意義。
 

　　近期，相關研究成果發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院戰略性先導科技專項(B類)等的支持。
 

　　圖1. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中沿節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中反節點區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系

 

　　圖4. 在Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2CuO6+δ中兩個能量尺度隨溫度的依賴關系