CPL快讯 | Bi2212高温超导体中发现费米面依赖的超导能隙

来源：中科院物理所

Received 30 April 2019; 

online 07 May 2019

Express Letter

Distinct Superconducting Gap on Two Bilayer-Split Fermi Surface Sheets in Bi2Sr2CaCu2O8+δ Superconductor

Ping Ai(艾平), Qiang Gao(高强), Jing Liu(刘静), Yuxiao Zhang(张玉晓), Cong Li(李聪), Jianwei Huang(黄建伟), Chunyao Song(宋春尧), Hongtao Yan(闫宏涛), Lin Zhao(赵林), Guo-Dong Liu(刘国东), Gen-Da Gu(顾根大), Feng-Feng Zhang(张丰丰), Feng Yang(杨峰), Qin-Jun Peng(彭钦军), Zu-Yan Xu(许祖彦), Xing-Jiang Zhou(周兴江) 

Chin. Phys. Lett. 2019, 36 (6): 067402

文章亮点

采用自主研发的具有超高分辨率的新一代激光角分辨光电子能谱技术，发现Bi2212超导体中两套费米面具有的超导能隙不同，并具有不同的动量依赖关系。对两个费米面上的超导能隙的精确测量，为研究铜氧化物高温超导体中费米面拓扑结构和超导能隙的关系， 以及研究超导温度和铜氧面层数的关系，提供了重要实验信息。

Bi2212高温超导体中发现费米面依赖的超导能隙

铜氧化物高温超导体的超导机理，是凝聚态物理研究中最重要的最具挑战性的物理问题之一。对高温超导体电子结构和超导能隙的研究，将为理解其超导机理提供关键的信息。铜氧化物高温超导电性是通过向CuO2面引入适当的载流子浓度而实现。已有大量实验证据表明，正常态和超导态下的种种奇异性质与载流子浓度密切相关。在欠掺杂区域，正常态性质偏离费米液体行为，而超导态的能隙也表现出异常的变化：尽管超导转变温度随着掺杂浓度的增加而升高，超导能隙却异常地随着掺杂浓度的增加而减小。而且超导能隙随动量的变化关系偏离标准d波形式；掺杂量越低，偏离得越显著。 在过掺杂区域情况则显著不同，首先正常态很接近费米液体行为，其次超导能隙和转变温度都随着掺杂浓度升高而降低。而且超导能隙随动量的变化关系接近标准d波形式。另一方面，铜氧化物高温超导体的超导转变温度与一个结构单元中的CuO2面的层数相关。对同一个体系的超导体，超导温度从单层到三层不断升高，三层达到最高超导温度，继续增加铜氧面数量，超导转变温度反而降低。

角分辨光电子能谱技术能够对材料的电子结构和超导能隙实现直接的测量，因而在高温超导体研究中发挥了举足轻重的作用。Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi2212)是角分辨光电子能谱技术研究最广泛和深入的高温超导体系。由于它的一个结构单元中含有两个CuO2铜氧面，两个CuO2面之间的相互作用导致能带的杂化，形成成键能带和反键能带以及相应的成键费米面和反键费米面。长期以来，普遍认为这种双层劈裂形成的两套费米面具有相同的超导能隙。已有的角分辨光电子能谱对Bi2212的测量，在实验精度范围内，也给出两套费米面具有相同超导能隙的结果。 

近期，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周兴江研究员，赵林副研究员以及研究生艾平等，采用自主研发的具有超高分辨率的新一代激光角分辨光电子能谱技术，发现Bi2212超导体中两套费米面具有的超导能隙不同，并具有不同的动量依赖关系。

新一代激光角分辨光电子能谱系统利用第三代基于飞行时间的能量分析器，配合11eV深紫外激光，不仅能一次性同时探测动量空间二维的信息，而且具有超高分辨率。通过对过掺Bi2212（超导温度Tc=75 K）样品系列的实验测量，首先他们验证了双层劈裂发生在节点到反节点的各个动量位置，在反节点处达到最大。确定了反键费米面的载流子浓度为0.27，和最佳掺杂（0.16）相比对应重过掺杂， 而成键费米面的载流子浓度为0.14，对应欠掺杂。通过系统地分析超导能隙随费米面不同动量点的变化，获得了超导能隙沿两个费米面完整的动量依赖关系，首次发现成键费米面和反键费米面具有不同的超导能隙。特别是发现反键费米面的超导能隙随动量的依赖关系遵循标准d波的形式，而成键费米面的能隙动量依赖关系明显偏离标准d波的形式。

Bi2212在同一个材料中具有两个费米面，而且两个费米面对应显著不同的掺杂浓度， 一个为重过掺杂（0.24）， 另一个为欠掺杂(0.14)。 对两个费米面上的超导能隙的精确测量，为研究铜氧化物高温超导体中费米面拓扑结构和超导能隙的关系， 以及超导温度和铜氧面层数的关系，提供了重要实验信息。

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