PNAS—聞海虎戴鵬程等—高溫超導機理研究

最近，由中科院物理所研究員聞海虎領導的科研小組與美國田納西大學物理系教授、橡樹嶺國家實驗室研究員戴鵬程領導的科研小組通過合作，在銅氧化合物高溫超導體的機理問題方面取得重要進展，揭示了自旋漲落和關聯與高溫超導的密切關系。該工作發表在《美國科學院院刊》 [Proceedings of National Academy of Sciences(PNAS) 104，15259-15263(2007)]上。
 
銅氧化合物高溫超導體的機理問題是凝聚態物理中最具挑戰性的問題之一，對它的理解和認識將導致超導理論乃至固體物理的重大突破。眾所周知，超導態是電子系統通過電子配對而凝聚成的一個低能態。在通常的BCS超導圖像中，電子配對和凝聚同時發生。超導態被一個配對能隙所保護，只有熱漲落足以破壞此能隙時，超導就被破壞。超導態和非超導態之間的能量差被稱作超導凝聚能。在超導態加磁場，庫泊對會被拆散從而超導體失去超導性。
 
在銅氧化物高溫超導體中，電子如何配對和凝聚仍然是個迷。在眾多的高溫超導體中，人們發現一旦進入超導態，在自旋漲落譜上的某個能量會有一個集體激發，形成一個特定能量的共振峰。有初步的試驗表明，這個共振峰與超導態中的超導電子數有關系。樣品進入正常態后，此共振峰隨即消失。研究此共振峰與超導的關系是目前高溫超導機理研究的關鍵所在。
 
精確測量超導態的凝聚能非常困難，原因是高溫超導體的超流電子數很少。另外，在空穴摻雜的高溫超導體中，破壞超導的臨界磁場(上臨界磁場)很高，一般很難用10特斯拉左右的實驗室常用磁場來將超導完全破壞，因此無法精確測量超導態與正常態的能量差。電子型摻雜的高溫超導體上臨界磁場不是很高，這為我們研究超導凝聚能和磁激發共振峰的關系提供了條件。
 
低溫比熱在研究超導體的低能準粒子激發和機理方面非常重要。聞海虎研究員領導的小組在過去幾年中專心致力于這方面的研究，并取得一些重要進展[PRB70, 214505(2004); PRB72, 134507(2005); PRB76, 064512(2007)]。比如，通過測量低能準粒子激發，他們發現并指出高溫超導體的贗能隙基態具有費米弧特性，進入超導態后，在這些費米弧上面會逐漸建立一個新的能隙，它的大小反映了超導能量的尺度。這個模型正被越來越多的手段所證實并成為當今的一個研究熱點。在目前的研究當中，他們選擇電子型摻雜的高溫超導體PrLaCeCuO，在克服了很多的技術障礙之后，在寬溫區測量到高質量的超導比熱數據并準確獲得了凝聚能隨磁場的演化關系。美國合作者利用中子散射實驗測量了磁激發譜上面的共振峰，發現它被磁場壓制的規律與比熱測量到的超導凝聚能隨磁場的變化規律完全一致。磁場高于上臨界磁場以后，超導凝聚能和磁共振峰同時消失，隨之出現的是反鐵磁長程有序。這個多手段實驗結果說明高溫超導與磁漲落和磁關聯的密切關系，同時也說明配對是非同尋常的。至于磁漲落導致配對還是凝聚，是下一階段要弄清楚的問題。此外，超導和反鐵磁長程序相互競爭，它們是磁漲落導致的兩種不同基態。這些重要發現將會大大促進高溫超導機理問題的認識和發展。比熱數據并準確獲得了凝聚能隨磁場的演化關系。