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PNAS發表袁輝球團隊在重費米子超導方面的最新研究成果

編輯:phyzll 時間:2018年05月14日 訪問次數:2855

超導是一種獨特的宏觀量子現象。當溫度低于超導轉變溫度時,其電阻突然消失并表現出完全抗磁性。近年來,超導材料已經逐漸應用到社會生活當中,如磁共振成像、磁懸浮列車等。當材料進入超導態時,相互排斥的電子會通過某種膠水而結合成空間相干的庫珀對Cooper pairs),同時在費米面附近打開能隙。早期發現的絕大多數超導體均可由Bardeen-Cooper-Schriffer (BCS)理論來解釋,其超導電子以電聲耦合機制結合成庫珀對,超導能隙完全打開,磁性雜質抑制超導的出現。這類超導材料通常被稱為常規s波超導體。

1979年,德國物理學家Frank Steglich教授(現浙江大學關聯物質研究中心主任)首次在磁性重費米子材料CeCu2Si2中發現超導。與此前所發現的超導材料不同,CeCu2Si2中的超導出現在反鐵磁量子臨界點附近,形成超導的準粒子具有很大的有效質量(約自由電子的1000倍),從而不可能由基于電聲耦合機制的BCS超導理論來描述。重費米子超導體CeCu2Si2的發現開啟了非常規超導研究,后來發現的銅氧化合物高溫超導體和鐵基高溫超導體等均屬于非常規超導,超導與磁性緊密相關。然而,非常規超導的物理機制仍然非常具有爭議,是當前凝聚態物理研究的一個重要科學問題。

超導能隙是揭示超導電子配對態、探索超導形成機理的一個重要物理量。先前大量實驗表明,CeCu2Si2與銅氧化物高溫超導體一樣,屬于d波超導體,其超導能隙在某些方向消失,存在能隙節點。然而,最近的比熱測量表明,CeCu2Si2的超導能隙沒有節點,表現出類s波超導的性質,這與先前的許多實驗結果矛盾,成為當前重費米子超導研究的一個新熱點問題。

通過測量CeCu2Si2的低溫磁場穿透深度(最低溫達0.04K),浙江大學關聯物質研究中心/物理系的袁輝球教授團隊及其合作者提出了一種解決這個矛盾問題的新思路,相關研究成果于58日在線發表在《美國科學院院刊》 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 簡稱PNAS)。袁輝球教授團隊發現,不同類型CeCu2Si2樣品的磁場穿透深度在極低溫均呈現出指數依賴關系,進一步證實了超導能隙無節點。通過與賴斯大學斯其苗教授(浙江大學長江講座教授)合作,袁輝球教授等在文章中提出了一種新的超導配對態,即基于兩能帶的d波混合超導配對。在該模型中,帶內電子具有dx2-y2配對對稱性類似銅氧化合物高溫超導體,而兩個能帶間的超導配對則為dxy波。因此,該模型本質上仍屬于d波超導,表現出d波超導的一些屬性,但由于帶內和帶間配對波函數的相位相差p/4,其超導能隙完全打開而沒有能隙節點。該模型既可以完美地擬合磁場穿透深度和比熱等最新實驗結果,又可以解釋先前實驗觀察到的d波超導性質,為CeCu2Si2看似矛盾的實驗結果提供了一個合理的解釋。這一物理思想還可以延伸到其它的超導體系,為理解非常規超導提供了一種新的途徑。

博士研究生龐貴明為論文第一作者,袁輝球教授為論文通訊作者,合作單位包括美國賴斯大學、德國馬普固體化學物理研究所和奧格斯堡大學等科研院所。該項研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金委、國防基礎科研科學挑戰專項以及中德科學中心合作小組項目的資助。

論文連接:

實驗測量方法: 

基于隧道二極管的低溫磁場穿透深度測量裝置具有靈敏度高、測量溫度低等優點,是研究超導序參量的一種重要實驗手段。利用該套自主開發的實驗裝置,近年來袁輝球教授團隊在非常規超導序參量的研究方面取得了一系列研究成果,在PNASPhysical Review Letters等雜志上發表了20余篇論文。2017年,團隊成員Michael Smidman博士和袁輝球教授應邀為著名物理綜述期刊Reports on Progress in Physics撰寫綜述一篇,系統介紹了他們利用該套實驗裝置,在非中心對稱超導序參量方面的研究成果。(注:該文已被ESI選為“熱點論文”和“高被引論文”)

基于共振隧道二極管的

磁場穿透深度測量裝置示意圖