铜氧化合物与铁基超导体作为高温超导电性的两大研究主体,曾依次掀起了凝聚态物理领域的两大研究热潮。与此同时,人们对其它新型超导材料的探索脚步从未停止。近年来,各种新型超导材料层出不穷,为高温超导体的研究提供了新的契机,寻求并发掘它们中可能存在的高温超导电性成为超导领域的一项重要工作。新型超导材料的开发及研究将会带来更多新的物理及应用。

1.铁基超导体的晶格结构
2.新型超导材料的晶体结构
1) 重费米子超导体: CeCoIn5, Ce2CoIn8

图1. 重费米子体系CenComIn3n+2m不同成员间的晶体结构(n=∞,1,2 m=1)
2) P波配对的超导体:Sr2RuO4

图2. Srn+1RunO3n+1体系不同成员间的晶体结构(n=∞,1,2 m=1)
3) 准一维材料钾蓝青铜(4-leg ladder System):K0.3MoO3

图3. K0.3MoO3 晶体结构
3.相图及新奇物性

图4. CeCoIn5 的外磁场(a)与压力(b)相图

图5. Sr2RuO4中超导电性的发现及Spin-Triplet超导体的自旋S与轨道L角动量的配对示意图。

图6.K0.3MoO3中的CDW相变。(a) 三个方向的电阻温度曲线(b)磁化率温度曲线
4.我们组对新型超导体的研究
1)CeCoIn5 的单晶生长及表征
我们使用自助溶剂flux方法生长了大量高质量的CeCoIn5重费米子单晶,得到呈现片状的大小为1~2×1~2×0.1mm的单晶,表面光滑为自然解理的ab面。然后,分别用安装有能量色散X射线波谱仪EDAX的扫描电镜SEM对生长的CeCoIn5单晶进行了表面形貌和化学成分的测量。扫描电镜SEM测量的结果,可以看到光滑的镜面,显示了良好的晶体质量。能量色散X射线波谱仪通过分析特征X谱线获得探测样品的化学构成信息,Ce,Co,In原子比例满足1 : 1 : 5的关系。X射线单晶衍射的测量显示单晶呈现单一相,得出CeCoIn5沿c方向的晶格常数为c=7.551埃。

图7. (a)生长的CeCoIn5 单晶照片(b)CeCoIn5扫描电镜SEM的测量(c)CeCoIn5 单晶X射线衍射及劳厄图像
2)CeCoIn5 单晶的物性测量
电阻测量我们采用了“四电极”法,磁测量用的是量子干涉磁测量仪。电阻随温度变化与文献里发表的结果相同,45K处的重费米子态形成的温度特征非常明显,在低温时系统进入超导。小插图是电阻测量和磁测量在超导转变温度附近的放大图,电阻在2.34K时开始发生超导转变,超导转变宽度为0.18K;磁测量超导转变起始温度为2.25K,转变宽度为0.14K。

图8. CeCoIn5 电阻和磁测量随温度变化关系
3)角分辨光电子能谱对 CeCoIn5电子结构的研究
利用高分辨率的角分辨光电子能谱(ARPES)对CeCoIn5单晶的测量呈现了清晰的费米面拓扑,它与理论上假定Ce的4f电子在低温下呈巡游态的理论模型计算结果相吻合,表明了Ce的4f电子在低温下更倾向于巡游行为。这与之前文献中ARPES的研究结果给出的CeCoIn5的4f电子所呈的局域特征的结论不同。 此外,Γ点和M点的能带结构测量分别表明Γ点存在的是一个空穴型的菱形的费米口袋,而M点存在的是一个电子型的费米口袋。 这也与之前关于ARPES测量的文献中显示Γ点无空穴型的费米口袋存在的描述是完全不同的。 这些差异有可能来源于矩阵元效应,因为我们与文献中所采用的ARPES的实验光源不同。也可能是由CeCoIn5这种材料本身费米面结构上的三维特性所造成。 这些矛盾的解决都需要进一步展开更详细的费米面对光子能量依赖关系的ARPES研究。

图9. CeCoIn5的费米面.(a)25K下测量的CeCoIn5的费米面。(b) 理论计算的CeCoIn5分别在4f电子的巡游模型(黑色实线)和局域模型(红色虚线)kz=0 处的费米面。(c)(d)能带结构的测量分别沿 着图(a)红线所示的Cut#1和#2。
X.W. Jia , X.J.Zhou* etc. Chin Phys. Lett. 28(2011) 057401.
4)角分辨光电子能谱对 Sr2RuO4电子结构的研究
在此之前,无论是LDA的理论计算还是ARPES的实验测量上,都有不少关于Sr2RuO4的费米面的研究报道。总体而言,我们的测量结果,与之前一些广为接受的费米面拓扑结构相比,虽然具有普遍的一致性,但同时也存在一些明显的不同。在沿(π,0)-(π,0)方向,我们观察到了两套费米面结构,很可能来源于βband的表面和体费米面的劈裂。这与αband的无表面与体费米面的劈裂形成了强烈对比,虽然它们都具有相同的轨道成分。此外,我们还考虑了各种绘景包括结构畸变,自旋轨道耦合,和表面铁磁性,并进行大量的能带结构的计算,与我们的实验结果作对比。然而,它们中没有一个可以解释α与β费米面在体和表面的劈裂上的定性的不同。这一不寻常的行为指出Sr2RuO4表面可能存在着一种未知的序亟待被揭示。而这将对研究和利用与Sr2RuO4表面相关的新奇量子现象十分重要,因为它可能是一个p波手性超导体或拓扑超导体。

图10. Sr2RuO4 的费米面。(a)LDA计算的费米面 (b)温度为20K解理及20K测量的费米面 (c)由图(b)扣除得出的费米面

图11. Sr2RuO4 的能带结构。(a)费米面图像及所取的一些特定动量Cut的位置 (b)Cut#B在费米能级EF处的动量分布曲线(MDC) (c)对应图(a)中Cut A到H的能带结构。

图12. Sr2RuO4实验测量与四种不同的理论计算方法所得费米面之间的对比。(c)理论计算中考虑了八面体的6度旋转和非磁性的表面 (d)非磁性的费米面考虑了八面体的6度旋转和自旋轨道耦合 (e)考虑了八面体的6度旋转和无磁性的表面 (f) 考虑了八面体的6度旋转,非磁性的表面,并假定八面体倾角为3度
S.Y. Liu X.J. Zhou etc*. Phys. Rev. B. 86, 165112 (2012)
S.Y. Liu X.J. Zhou etc*. Chin. Phys. Lett. 29(2012) 067401
4)角分辨光电子能谱对 K0.3MoO3电子结构的研究
K0.3MoO3是钼氧化合物家族中的一种,由于具有蓝色金属光泽而被命名为“蓝青铜”。蓝青铜最早发现于上世纪六十年代,具有准一维的晶体结构(如图3所示)。第一性原理计算出蓝青铜的费米面由四条几乎平行的线组成(图12(b)),存在很好的费米面嵌套,导致在低温下存在Pierls相变。作为一种典型的电荷密度波材料,以及其具有的非线性电阻等物理性质,蓝青铜在上世纪八十年代被广泛研究。
近年来角分辨光电子能谱研究表明,即使在正常态,蓝青铜的电子能谱也并没有普通金属所具有的费米-狄拉克分布,电子态密度在费米能级附近有压制行为。并且在态密度分布曲线上也并没有准粒子峰的出现,而是表现为很宽的鼓包(图13)。为了解释这种奇异的电子谱线形,提出了电声子相互作用形成的小极化子,电荷密度波涨落,一维电子体系的Luttinger液体等。到目前为止,仍没有达成共识。

图13. K0.3MoO3的4-leg ladder费米面和沿一维方向Γ-Y的能带结构。

图14. 高分辨激光角分辨光电子能谱测量的能带结构