封东来团队合作揭示铋氧化物高温超导机理
发布时间: 2018-09-25     文章作者:     访问次数: 977

近日,我系封东来团队与南京大学教授闻海虎、北京师范大学教授殷志平等合作,解决了困扰人们多年的铋氧化物高温超导机理问题。913日,相关成果以《揭示钡钾铋氧体系高温超导机理》(“Unveiling the superconducting mechanism of Ba0.51K0.49BiO3”)为题,作为编辑推荐文章(Editors Suggestions)发表于《物理评论快报》(Physical Review Letter)。美国物理学会《物理学》(Physics)在线杂志以 “Bismuthates Are Surprisingly Conventional” 为题对该项工作作专文介绍。

高温超导是凝聚态物理的重要前沿方向,揭示其机理有利于制备更高转变温度的材料,并可加深人们对多体相互作用的认识。不同超导体系具有不同的电子态和不同机制。全面研究各类超导体系,特别是攻克长期以来得不到解释的疑难体系,对于建立高温超导机理的统一认识具有重要意义。

铋氧化物即是一种重要的疑难超导体系,其超导电性首次发现于1976年,而高达32K的超导转变温度于1988年在K掺杂的Ba1-xKxBiO3中发现[1(a)],是超导转变温度仅次于铜氧化物高温超导家族的氧化物超导体。尽管经过了三十多年的研究,人们对Ba1-xKxBiO3高超导转变温度的产生机理一直存在争议。不同于铜氧化物高温超导和铁基超导体,Ba1-xKxBiO3体系相图中不存在磁有序相,这意味着它具有非磁性的配对机制。因此基于电声子耦合配对机制的BCS图像便是重要的候选,然而早期DFT/GGA理论计算表明电声子耦合系数λ太小,远不足以解释32K超导转变温度。在长期的探索中,人们尝试提出了各种新奇的配对机制,例如“电荷驱动机制”或“双极化子机制”认为Ba1-xKxBiO3的电荷密度波涨落导致Bi离子上有局域的电子对并能形成超导,但一直都没有得到实验验证。

角分辨光电子能谱能够直接获得材料的电子能带结构,是研究能带带宽、超导能隙、能隙结构的有效手段,是理解超导机理的关键手段之一。但多年来,尚无Ba1-xKxBiO3电子结构的确切报道。这缘于Ba1-xKxBiO3材料的三维性使得人们很难获得平整的解理表面[1(b)],而平整的表面是获得高质量光电子能谱数据、从而得到电子结构的必要条件,这增加了探索Ba1-xKxBiO3超导机理的难度。

合作团队通过数年不断优化样品质量、在世界上多个同步辐射线站优化实验条件,利用十微米量级的聚焦光束在不平整的表面上找到平整的小区域[1(b)],最终获得高质量的光电子能谱。

数据表明,Ba0.51K0.49BiO3的电子结构和传统DFT计算相比,能带带宽增大了约40% [1(c)]。带宽的增加和考虑了长程库伦相互作用的HSE/GW计算吻合。这说明在Ba0.51K0.49BiO3材料中,长程库伦相互作用导致了带宽极大地增加,这是固体物理教科书中一种基本、却又极少观测到的物理效应。

实验得到了Ba0.51K0.49BiO3动量空间各向同性的超导能隙结构,符合BCS图像的s波配对对称性。进一步能带色散扭折特征和准粒子性质分析 [1(d)-(e)]得到电声子耦合常数λ高达~ 1.3,为此前传统理论估值的三倍以上,可以在BCS图像下完美解释铋氧化物的高超导转变温度。HSE/GW计算结果也表明长程库伦相互作用所引发的带宽增加效应会导致这样远高于传统理论估算值的电声子耦合强度。


图. 1 (a) Ba1-xKxBiO3相图与晶体结构示意图。缩写代表:电荷密度波绝缘体相(CDWI),超导相(SC)。星形符号对应为文中样品掺杂量和其超导转变温度。 

 (b) 样品解理面的扫描电子显微镜图像。黄色椭圆点指示光电子能谱测量中的光斑大小。

(c)  沿ΓX方向的光电子能谱强度谱(左)和理论计算的能带结构(右)对比,显示带宽增大效应。

(d) 光电子能谱显示费米能量附近的能带色散(黑色圆圈) 。(e)  电声子相互作用造成的能带扭折。


这一实验和理论的完好符合解决了30年来悬而未解的铋基超导机理之谜——Ba1-xKxBiO3是一个由长程库伦相互作用增强的电声子耦合BCS超导体。这一超导增强机制的发现,也有助于探索新的高温超导体系。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中央高校基本科研专项的支持。其中ARPES实验得到了合肥国家同步辐射实验室(NSRL),上海光源(SSRF),英国“钻石”同步辐射实验室(Diamond Light Source)和美国先进光源同步辐射实验室(ALS)的支持。我系博士研究生文陈昊平为本文第一作者,封东来教授、徐海超副教授、北京师范大学教授殷志平为本文通讯作者。

  



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