铜氧化物高温超导体中普遍存在着共存的电子-玻色模耦合作用 | 进展

在传统超导体中，电声子相互作用对超导电性的产生起着决定性的作用。在铜氧化物高温超导体中，电子与声子或其它玻色子耦合是否存在，以及电声子耦合在产生高温超导电性中的作用仍然不清楚。在对铜氧化物高温超导体多体效应的研究中，角分辨光电子能谱发挥了重要的作用。前期对多种铜氧化物高温超导体的角分辨光电子能谱研究表明，其节点方向能带色散存在~70meV的扭折(kink)结构，在一些超导体的反节点附近能带色散存在~40meV的扭折结构，超导态反节点区域光电子能谱曲线中存在着著名的“peak-dip-hump”（峰-谷-包）结构。已有的实验结果比较零散，相互之间还存在着矛盾。特别是对这些结构起源的认识还存在着争论，主要集中在是归结于电子与声子的耦合，还是电子与磁共振模式的相互作用，或者是电子与两种模式共同作用的结果。深入研究铜氧化物高温超导体中的多体相互作用，对理解其中电子-玻色模相互作用的起源及其在产生高温超导电性中的作用具有重要意义。

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SC7组的周兴江研究员和博士生闫宏涛等，利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱具有超高分辨率的优势，对Bi系铜氧化物高温超导体的电子结构进行了深入的研究，为理解其中的多体相互作用和电子-玻色模耦合提供了全新的认识。

图1：在Bi2Sr2CaCu2O8+δ 和Bi2Sr2CuO6+δ 中沿节点方向能带中观察到两个共存的~70meV和~40meV能量尺度。

高精度测量发现，铜氧化物高温超导体光电子能谱曲线中存在着更为精细的结构（两个dip和两个hump），表现在能带上同时出现两套类似平带的电子结构特征，对应的能量尺度分别为~70meV和~40meV。这些特征不仅表现在沿节点方向的能带结构中(图1), 也出现在反节点区域的能带结构中(图2)。进一步系统的测量发现，这两个共存的能量尺度在不同材料中 (Bi2Sr2CuO6+δ，Bi2Sr2CaCu2O8+δ和Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ)、 在从节点方向到反节点的所有动量空间(图3)中、 在超导转变温度之上和之下的不同温度(图4)下、以及在不同掺杂浓度的样品中，都普遍存在。以前只在Bi2Sr2CaCu2O8+δ超导态反节点区域发现的“peak-dip-hump”结构，实际上包含更为精细的“peak-double dip-double hump”结构，在不同材料、所有动量、不同温度和不同掺杂样品中也都无处不在。

图2：在Bi2Sr2CaCu2O8+δ 和Bi2Sr2CuO6+δ 中反节点区域能带中观察到两个共存的~70meV和~40meV能量尺度。

不同铜氧化物超导体中~70meV和~40meV两个能量尺度表现出类似的动量、掺杂和温度依赖关系，说明这两个能量尺度对应相同的起源。电子同时和两个玻色模相互耦合的图像，可以很好地理解观察到的精细电子结构及其随动量和掺杂的演变关系。目前铜氧化物高温超导体中，已知可能存在的玻色模包括声子、磁共振模和自旋涨落。其中，磁共振模和自旋涨落强烈依赖于材料中的掺杂浓度和样品温度，这与实验观察到的结果不符。~70meV和~40meV共存电子-玻色模耦合的无处不在性，强烈支持声子作为这两种玻色模的起源。进一步的实验还发现，~70meV和~40meV两个共存的能量尺度在超导转变上下没有随着超导能隙的打开而出现明显的移动(图4)。这种行为在传统的电子-玻色模耦合图像中难以理解，表明铜氧化物高温超导体具有非常规的电子-玻色模耦合方式，需要发展进一步的理论来理解这两个玻色模的耦合行为。

图3：在Bi2Sr2CaCu2O8+δ 和Bi2Sr2CuO6+δ 中两个能量尺度随动量的依赖关系。

该工作全面系统地研究了铜氧化物高温超导体中电子-玻色模耦合随材料、动量、掺杂和温度的演变，发现了更精细的电子结构，提供了铜氧化物高温超导体中多体相互作用的统一图像，对理解电子-玻色模耦合的起源及其在产生高温超导电性中的作用具有重要意义。

图4：在Bi2Sr2CaCu2O8+δ 和Bi2Sr2CuO6+δ 中两个能量尺度随温度的依赖关系。

相关研究成果发表在近期的PNAS上。上述科研工作得到国家重点研发计划、自然科学基金委、科技部和科学院先导B项目等基金的资助。

编辑：ArtistET

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