image: 最佳掺杂 (Ba0.6K0.4)Fe2As2 超导能隙的动量依赖关系 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
对超导体正常态的理解是理解其超导态性质和超导机理的前提。传统超导体的正常态可以用费米液体理论所描述，它具有明确的费米面，费米面上存在明确的准粒子。超导电性是由于在超导转变温度以下费米面失稳形成库珀对而产生。在铜氧化物高温超导体中，尤其是在欠掺杂区域，由于赝能隙的存在，其正常态反节点处不具有明确的费米面，在整个布里渊区内费米面拓扑结构呈现出费米弧或费米口袋的结构。反节点区域的电子表现出强烈的非相干行为，正常态不存在准粒子峰。这种既没有明确的费米面也没有明确的准粒子行为的电子结构，和铜氧化物高温超导体的奇异正常态密切相关。揭示其起源以及理解如何从中能衍生出超导电性，是超导物理研究的一个重要挑战。一个自然而有趣的问题则是，是否存在一种介于传统超导体和铜氧化物超导体之间的新的体系，即是否存在一种超导体具有明确的费米面但费米面上没有明确的准粒子？如果有，超导态如何从这种体系的正常态衍生出来？它的超导态性质和超导机理又会是怎样的？
铁基超导体与铜氧化物超导体有着许多相似的性质，关于它的正常态非费米液体行为也有许多讨论，然而一直缺乏直接的微观谱学证据。最近，来自中国科学院物理研究所的周兴江研究小组的研究，为确立铁基超导体(Ba0.6K0.4)Fe2As2正常态为非费米液体行为提供了直接的谱学证据，并确立了这是一个正常态具有明确费米面而没有准粒子行为的典型体系。他们使用自主研制的新一代激光角分辨光电子能谱系统，对典型的铁基超导体-最佳掺杂 (Ba0.6K0.4)Fe2As2的电子结构和超导能隙进行了精细的测量。结果表明，最佳掺杂的 (Ba0.6K0.4)Fe2As2 超导能隙大小表现出明显的与不同费米面的依赖关系，解决了长期以来对该典型铁基超导体的超导能隙结构存在的争论。尽管超导态出现尖锐的超导相干峰，但一旦进入正常态，费米面上的电子态表现出完全的非相干行为，没有准粒子峰的存在。这些结果表明，(Ba0.6K0.4)Fe2As2 的正常态为非费米液体，而且该超导体代表着一种正常态具有明确费米面但不具有明确准粒子的新的体系。实验发现，(Ba0.6K0.4)Fe2As2的超导能隙在超导态基本不变，在超导转变温度附近突然转变到零，这种行为明显偏离传统BCS理论的能隙-温度依赖关系。他们的结果为理解铁基超导体的超导机理，特别是如何从非相干正常态中衍生出相干的超导态，提供了重要信息。
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该项目由国家重点研发计划 (Grant No. 2016YFA0300300 and 2017YFA0302900)，中国科学院战略性先导项目 (Grant No. XDB07020300, XDB25000000)，国家重点基础研究发展计划 (Grant No. 2015CB921000)，国家自然科学基金 (Grant No. 11334010) 以及中科院青促会 (Grant No. 2017013) 提供支持。
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Jianwei Huang, Lin Zhao, Cong Li, Qiang Gao, Jing Liu, Yong Hu, Yu Xu, Yongqing Cai, Dingsong Wu, Ying Ding, Cheng Hu, Huaxue Zhou, Xiaoli Dong, Guodong Liu, Qingyan Wang, Shenjin Zhang, Zhimin Wang, Fengfeng Zhang, Feng Yang, Qinjun Peng, Zuyan Xu, Chuangtian Chen and Xingjiang Zhou. Emergence of Superconductivity from Fully Incoherent Normal State in an Iron-Based Superconductor (Ba0.6K0.4)Fe2As2. Science Bulletin, 2018, doi: 10.1016/j.scib.2018.11.017
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927318305486
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Science Bulletin