1.典型的铜氧化合物高温超导体

目前已经发现50多种晶体结构不同的铜氧化合物高温超导材料(表1)。

表1
2.铜氧化合物晶体结构
铜氧化合物高温超导体都含有CuO2 面,并都具有层状结构(图1)。沿垂直CuO2面方向,CuO2面与不同类型“隔离层”的排列组合形成众多不同结构的铜氧化合物高温超导体。CuO2 面之间的隔离层,可作为载流子库对CuO2面提供载流子。

图1
3.铜氧化合物电子相图
铜氧化合物未掺杂的母体是反铁磁绝缘体,当掺杂一定量的载流子(电子或者空穴)时,产生超导。超导温度先随着掺杂浓度的增加而升高,达到最大值(最佳掺杂),然后随着载流子浓度的进一步增加,转变温度反而降低(图2)。

图2
4.铜氧化合物的奇异物性
奇异正常态
1)成功描述传统金属的朗道费米液体理论不适用于铜氧化合物高温超导体的正常态;
2)赝能隙的存在:传统超导体的超导能隙只在超导转变温度以下打开,而对欠掺杂的高温超导体却发现超导温度以上已经有能隙打开。

非常规超导态
1)高超导临界温度:BCS理论预言超导体转变温度不可能超过40K,而铜氧化合物高温超导体的转变温度达到了135K(在高压下达到160K);
2)d波配对:传统超导体的超导能隙具有各向同性s波对称,而铜氧化合物高温超导体的超导能隙具有强烈各向异性的d波对称(图3)。

图3 铜氧化合物高温超导体的超导能隙d波对称

4.角分辨光电子能谱对铜氧化合物高温超导体电子结构的研究
1)高温超导体中观察到一种新的电子耦合模式
利用真空紫外激光角分辨光电子能谱仪具有的超高分辨率的独特优势,和其它组合作,我们在高温超导体Bi2212中,观察到了两个新的电子结构特征。这两个新的结构,难以用已有的电子耦合模式(电子――声子耦合或电子――磁振子耦合)来解释, 这表明在高温超导体中可能存在一种新的电子耦合方式。进一步实验表明,这两个新结构是在材料进入超导状态后产生的, 因此它们可能和超导电性密切相关。 相关结果发表在2008年3月14日的Physical Review Letters 100, 107002 (2008), 并被选为当期的“编辑提示”论文。
 

图4
2)真空紫外激光角分辨光电子能谱对铜氧化物高温超导体中高能扭折和高能色散起源的新认识
通过与其它组合作,我们利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪具有的超高分辨率的独特优势,通过详细的动量变化关系的测量,并结合完整的数据分析方法,对高温超导体Bi2212中的高能扭折和高能色散提出了新的认识。结果表明,铜氧化物的高能色散不可能代表电子的真正裸能带的回复,高能扭折不可能是由于电子和高能元激发耦合产生的, 并提出高能色散可能并不代表本征的能带结构。 相关结果发表在2008年7月4日的Physical Review Letters 101, 017002 (2008)
 

图5
3) 高温超导体中费米口袋与费米弧的共存
在之前对铜氧化合物高温超导体的赝能隙态测量中,费米面都是以费米弧的形式出现,这种现象在理论方面并没有找到合理的解释。而通过利用我自主研制的超高分辨率的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪对一系列不同掺杂的高质量La-Bi2201单晶进行测量,我们在国际上首次观测到了费米口袋的存在。我们观测到的费米口袋具有下述性质:载流子是费米子,只出现在欠掺杂的样品中,过掺杂样品中不存在。除此之外,我们还惊奇地发现了费米口袋与费米弧共存的现象。我们的工作对于超导机理的研究有提出了重要的实验依据。相关结果发表在2009年的Nature, 462(2009), 335,并被《自然中国》选为“研究亮点”。
 

图6
4) 高温超导体的节点能隙在绝缘体-超导体转变之后消失
对与非常欠掺杂不超导的Bi2201样品,其电子结构表现出如下几个特点:在节点方向存在能隙,能隙对称性为d波对称,相干峰与深能级的hump共存等。而我们的研究发现,在随着掺杂浓度的增强,样品在p=0.10出发生绝缘体-超导体相变。在这个相变点也发生了一系列的变化:节点能隙变为零,三维反铁磁序消失,超导出现。这些发现表明节点能隙、反铁磁绝缘相、高温超导之间是密切联系的。
 

图7
5) 高温超导体中两种模式共存且具有不寻常的动量依赖关系
我们首次在过掺杂的Bi2212样品中发现了两种能量尺度在大动量范围里面共存的现象。这一发现提供了一种新的图像:电子-波色子在动量空间中的耦合其实是电子与两种不同模式耦合的结果。这种不寻常的动量依赖关系对我们当前对电子模式耦合的概念提出了挑战。
 

图8

已发表铜氧化合物相关文献:
01. Wentao Zhang, Guodong Liu, Jianqiao Meng, Lin Zhao, Haiyun Liu, Xiaoli Dong, Wei Lu, J. S. Wen, Z. J. Xu, G. D. Gu, T. Sasagawa, Guiling Wang, Yong Zhu, Hongbo Zhang,Yong Zhou, Xiaoyang Wang, Zhongxian Zhao, Chuangtian Chen, Zuyan Xu and X. J. Zhou, “High Energy Dispersions in Bi_2Sr_2CaCu_2O_8 High Temperature Superconductor by Laser-Based Angle-Resolved Photoemission”, Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 017002.[link]
02. Wentao Zhang, Guodong Liu, Lin Zhao, Haiyun Liu, Jianqiao Meng, Xiaoli Dong, Wei Lu, J. S. Wen, Z. J. Xu, G. D. Gu, T. Sasagawa, Guiling Wang, Yong Zhu, Hongbo Zhang,Yong Zhou, Xiaoyang Wang, Zhongxian Zhao, Chuangtian Chen, Zuyan Xu and X. J. Zhou, “Identification of a New Form of Electron Coupling in Bi_2Sr_2CaCu_2O_8 Superconductor by Laser-Based Angle-Resolved Photoemission”, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 107002. [link]
03. Jianqiao Meng, Guodong Liu, Wentao Zhang, Lin Zhao, Haiyun Liu, Xiaowen Jia, Daixiang Mu, Shanyu Liu, Xiaoli Dong, Jun Zhang, Wei Lu, Guiling Wang, Yong Zhou, Yong Zhu, Xiaoyang Wang, Zuyan Xu, Chuangtian Chen & X. J. Zhou, "Coexistence of Fermi arcs and Fermi pockets in a high-Tc copper oxide superconductor", Nature, 462(2009), 335. [link]
04. Yingying Peng, Jianqiao Meng, Daixiang Mou, Junfeng He, Lin Zhao, Yue Wu, Guodong Liu, Xiaoli Dong, Shaolong He, Jun Zhang, Xiaoyang Wang, Qinjun Peng, Zhimin Wang, Shenjin Zhang, Feng Yang, Chuangtian Chen, Zuyan Xu, T. K. Lee and X.J.Zhou "Disappearance of Nodal Gap across the Insulator-Superconductor Transition in a Copper-Oxide Superconductor" Nature Communications|4:2459|DOI:10.1038/ncomms3459(2013)[link]
05. Junfeng He, Wentao Zhang, Jin Mo Bok, Daixiang Mou, Lin Zhao, Yingying Peng, Shaolong He, Guodong Liu, Xiaoli Dong, Jun Zhang, J. S. Wen, Z. J. Xu, G. D. Gu, Xiaoyang Wang, Qinjun Peng, Zhimin Wang, Shenjin Zhang, Feng Yang, Chuangtian Chen, Zuyan Xu, H.-Y. Choi, C. M. Varma and X.J.Zhou "Coexistence of Two Sharp-Mode Couplings and Their Unusual Momentum Dependence in the Superconducting State of Bi2Sr2CaCu2O8 Superconductor Revealed by Laser-Based Angle-Resolved Photoemission" Physical Review Letters 111, 107005(2013)[link]