銅氧化物高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)配對(duì)機(jī)理研究獲進(jìn)展

　　BCS超導(dǎo)理論對(duì)金屬或合金等傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理給出了完美的解釋。對(duì)BCS超導(dǎo)理論決定性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，特別是揭示傳統(tǒng)超導(dǎo)體中電子配對(duì)是通過(guò)交換聲子作為媒介而實(shí)現(xiàn)，則來(lái)自于隧道能譜實(shí)驗(yàn)對(duì)超導(dǎo)配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的確定。超導(dǎo)配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)提供了指認(rèn)導(dǎo)致電子配對(duì)的相互作用或媒介的關(guān)鍵指紋特征，其實(shí)驗(yàn)確定成為理解超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵。銅氧化物高溫超導(dǎo)體的高臨界超導(dǎo)溫度及d波配對(duì)對(duì)稱性等奇異特性，對(duì)傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)理論提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)近三十年的大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理仍然沒(méi)有形成共識(shí)。由于銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有強(qiáng)烈各向異性的電子結(jié)構(gòu)和d波超導(dǎo)能隙，依靠傳統(tǒng)的隧道能譜實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取超導(dǎo)配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的方法不再簡(jiǎn)單適用。角分辨光電子能譜技術(shù)因?yàn)榫哂兄苯臃直鎰?dòng)量的能力，被認(rèn)為是最有希望在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中獲得超導(dǎo)配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的新的首選手段。長(zhǎng)期以來(lái)，這項(xiàng)工作因面臨兩方面的挑戰(zhàn)而難以開(kāi)展，一是角分辨光電子能譜的測(cè)量必須滿足極為嚴(yán)苛的超高精度的要求，二是必須發(fā)展通過(guò)角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)解析出d波超導(dǎo)體中超導(dǎo)配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)的相關(guān)理論及數(shù)值分析方法。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組的JinMo Bok、俞理及張文濤、何俊鋒和張玉曉等，與美國(guó)加州大學(xué)Riverside分校教授 Chandra Varma和韓國(guó)成均館大學(xué)教授Han-Yong Choi等合作，利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜具有超高精度的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了相關(guān)的理論和數(shù)值分析方法，經(jīng)過(guò)近七年的努力和積累，第一次成功解析出銅氧化物高溫超導(dǎo)體的配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)，在理解高溫超導(dǎo)體的電子配對(duì)機(jī)理方面取得重要進(jìn)展。

　　真空紫外激光角分辨光電子能譜系統(tǒng)的使用，為銅氧化物高溫超導(dǎo)體Bi2212在不同溫度和不同動(dòng)量空間獲得超高精度的系統(tǒng)測(cè)量提供了可能(圖1)。通過(guò)d 波超導(dǎo)態(tài)格林函數(shù)對(duì)角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)的自洽擬合分析（圖2），可以成功提取出Bi2212高溫超導(dǎo)體的正常自能和配對(duì)自能(圖3)。結(jié)合Eliashberg理論和運(yùn)用最大熵方法，通過(guò)反演在國(guó)際上首次定量獲得了正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)（normal Eliashberg function）和配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)(pairing Eliashberg function)及其隨動(dòng)量和溫度的演變關(guān)系（圖4）。突出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括：(1) 不論是正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)，還是配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)，除了低能（~50meV）結(jié)構(gòu)之外，都包含類似的不隨能量演變的高能部分，表明銅氧化物高溫超導(dǎo)體與傳統(tǒng)超導(dǎo)體具有顯著不同的電子配對(duì)起源；(2) 在低溫超導(dǎo)態(tài)，正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)和配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)趨于一致，第一次從實(shí)驗(yàn)上提供了導(dǎo)致正常自能和配對(duì)自能形成的元激發(fā)來(lái)源一致的直接證據(jù)；(3) 正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)基本不隨動(dòng)量演變，揭示了銅氧化物高溫超導(dǎo)體的一個(gè)核心悖論: 同樣的漲落產(chǎn)生的正常自能和動(dòng)量無(wú)關(guān)，但產(chǎn)生的配對(duì)自能則處于d 波通道；(4) 根據(jù)這些定量確定的配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)估算出的臨界超導(dǎo)溫度，與實(shí)驗(yàn)材料的超導(dǎo)溫度基本一致。

　　這項(xiàng)工作首次直接揭示出了銅氧化物高溫超導(dǎo)體中超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)激發(fā)譜的能量和動(dòng)量特征，通過(guò)與目前普遍存在的配對(duì)媒介模型（聲子、自旋漲落、Hubbard模型漲落和回路電流序漲落等）進(jìn)行詳細(xì)比較，為甄別和確立高溫超導(dǎo)配對(duì)機(jī)理和進(jìn)一步的理論研究提供了決定性的關(guān)鍵信息。同時(shí)圍繞這項(xiàng)工作所發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論研究和數(shù)值方法等，為研究其它超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理開(kāi)辟了一種統(tǒng)一而有效的途徑。國(guó)際著名超導(dǎo)理論物理學(xué)家Lev Gorkov在評(píng)論該項(xiàng)工作時(shí)指出：“這篇文章在直接從實(shí)驗(yàn)上獲得相關(guān)的電子-電子相互作用方面是一個(gè)大膽和成功的嘗試。他們高超的研究方法，為研究其它強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的超導(dǎo)機(jī)理開(kāi)啟了新的前景”。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的Science Advances上【JinMo Bok et al., Quantitative determination of pairing interactions for high-temperature superconductivity in cuprates, Science Advances 2, e1501329 (2016)】。

　　上述研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委（11190022 和 11334010)、科技部和中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目等基金的資助。

圖1. 超高精度真空紫外激光角分辨光電子能譜對(duì)高溫超導(dǎo)體Bi2212 (Tc=89K) 的測(cè)量結(jié)果。

圖2. 高溫超導(dǎo)體Bi2212在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)的角分辨光電子能譜數(shù)據(jù)及其格林函數(shù)擬合分析。

圖3. 通過(guò)角分辨光電子能譜測(cè)量獲得的高溫超導(dǎo)體Bi2212的正常自能和配對(duì)自能。

圖4. 高溫超導(dǎo)體Bi2212通過(guò)Eliashberg方程反演獲得的正常關(guān)聯(lián)譜函數(shù)以及配對(duì)關(guān)聯(lián)譜函數(shù)。