銅氧化物高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)配對機理研究獲進展

　　BCS超導(dǎo)理論對金屬或合金等傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機理給出了完美的解釋。對BCS超導(dǎo)理論決定性的實驗驗證，特別是揭示傳統(tǒng)超導(dǎo)體中電子配對是通過交換聲子作為媒介而實現(xiàn)，則來自于隧道能譜實驗對超導(dǎo)配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的確定。超導(dǎo)配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)提供了指認導(dǎo)致電子配對的相互作用或媒介的關(guān)鍵指紋特征，其實驗確定成為理解超導(dǎo)機理的關(guān)鍵。銅氧化物高溫超導(dǎo)體的高臨界超導(dǎo)溫度及d波配對對稱性等奇異特性，對傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)理論提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過近三十年的大量理論和實驗研究，銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機理仍然沒有形成共識。由于銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有強烈各向異性的電子結(jié)構(gòu)和d波超導(dǎo)能隙，依靠傳統(tǒng)的隧道能譜實驗來獲取超導(dǎo)配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的方法不再簡單適用。角分辨光電子能譜技術(shù)因為具有直接分辨動量的能力，被認為是最有希望在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中獲得超導(dǎo)配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的新的首選手段。長期以來，這項工作因面臨兩方面的挑戰(zhàn)而難以開展，一是角分辨光電子能譜的測量必須滿足極為嚴苛的超高精度的要求，二是必須發(fā)展通過角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)解析出d波超導(dǎo)體中超導(dǎo)配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的相關(guān)理論及數(shù)值分析方法。

　　中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)超導(dǎo)國家重點實驗室周興江研究組的JinMo Bok、俞理及張文濤、何俊鋒和張玉曉等，與美國加州大學(xué)Riverside分校教授 Chandra Varma和韓國成均館大學(xué)教授Han-Yong Choi等合作，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精度的優(yōu)勢，發(fā)展了相關(guān)的理論和數(shù)值分析方法，經(jīng)過近七年的努力和積累，第一次成功解析出銅氧化物高溫超導(dǎo)體的配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)，在理解高溫超導(dǎo)體的電子配對機理方面取得重要進展。

　　真空紫外激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)的使用，為銅氧化物高溫超導(dǎo)體Bi2212在不同溫度和不同動量空間獲得超高精度的系統(tǒng)測量提供了可能(圖1)。通過d 波超導(dǎo)態(tài)格林函數(shù)對角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)的自洽擬合分析（圖2），可以成功提取出Bi2212高溫超導(dǎo)體的正常自能和配對自能(圖3)。結(jié)合Eliashberg理論和運用最大熵方法，通過反演在國際上首次定量獲得了正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)（normal Eliashberg function）和配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)(pairing Eliashberg function)及其隨動量和溫度的演變關(guān)系（圖4）。突出的實驗結(jié)果包括：(1) 不論是正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)，還是配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)，除了低能（~50meV）結(jié)構(gòu)之外，都包含類似的不隨能量演變的高能部分，表明銅氧化物高溫超導(dǎo)體與傳統(tǒng)超導(dǎo)體具有顯著不同的電子配對起源；(2) 在低溫超導(dǎo)態(tài)，正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)和配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)趨于一致，第一次從實驗上提供了導(dǎo)致正常自能和配對自能形成的元激發(fā)來源一致的直接證據(jù)；(3) 正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)基本不隨動量演變，揭示了銅氧化物高溫超導(dǎo)體的一個核心悖論: 同樣的漲落產(chǎn)生的正常自能和動量無關(guān)，但產(chǎn)生的配對自能則處于d 波通道；(4) 根據(jù)這些定量確定的配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)估算出的臨界超導(dǎo)溫度，與實驗材料的超導(dǎo)溫度基本一致。

　　這項工作首次直接揭示出了銅氧化物高溫超導(dǎo)體中超導(dǎo)驅(qū)動激發(fā)譜的能量和動量特征，通過與目前普遍存在的配對媒介模型（聲子、自旋漲落、Hubbard模型漲落和回路電流序漲落等）進行詳細比較，為甄別和確立高溫超導(dǎo)配對機理和進一步的理論研究提供了決定性的關(guān)鍵信息。同時圍繞這項工作所發(fā)展的實驗技術(shù)、理論研究和數(shù)值方法等，為研究其它超導(dǎo)體的超導(dǎo)機理開辟了一種統(tǒng)一而有效的途徑。國際著名超導(dǎo)理論物理學(xué)家Lev Gorkov在評論該項工作時指出：“這篇文章在直接從實驗上獲得相關(guān)的電子-電子相互作用方面是一個大膽和成功的嘗試。他們高超的研究方法，為研究其它強關(guān)聯(lián)體系的超導(dǎo)機理開啟了新的前景”。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的Science Advances上【JinMo Bok et al., Quantitative determination of pairing interactions for high-temperature superconductivity in cuprates, Science Advances 2, e1501329 (2016)】。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金委（11190022 和 11334010)、科技部和中科院先導(dǎo)B項目等基金的資助。

圖1. 超高精度真空紫外激光角分辨光電子能譜對高溫超導(dǎo)體Bi2212 (Tc=89K) 的測量結(jié)果。

圖2. 高溫超導(dǎo)體Bi2212在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)及其格林函數(shù)擬合分析。

圖3. 通過角分辨光電子能譜測量獲得的高溫超導(dǎo)體Bi2212的正常自能和配對自能。

圖4. 高溫超導(dǎo)體Bi2212通過Eliashberg方程反演獲得的正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)以及配對關(guān)聯(lián)譜函數(shù)。