費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其與磁性的相互關(guān)聯(lián),被認(rèn)為是理解鐵基高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵。大多數(shù)FeAs基高溫超導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)包含位于布里淵區(qū)中心的空穴型費(fèi)米面和位于布里淵區(qū)頂角的電子型費(fèi)米面，因此，空穴和電子費(fèi)米面之間的散射被普遍認(rèn)為是鐵基超導(dǎo)電子配對(duì)的重要機(jī)制。但是，在FeSe基高溫超體系中，包括AxFe2-ySe2(A=K,Cs,Rb,Tl)、(Li1-xFex)OHFeSe、單層FeSe/SrTiO3薄膜等只有電子型費(fèi)米面，沒(méi)有空穴型費(fèi)米面，這使得費(fèi)米面嵌套機(jī)制不再適用。FeAs基和FeSe基高溫超導(dǎo)體系不同的費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是對(duì)統(tǒng)一理論框架下理解鐵基高溫超導(dǎo)機(jī)制很大的挑戰(zhàn)。
不同于堿金屬插層或者生長(zhǎng)單層膜等對(duì)FeSe進(jìn)行電子摻雜的手段，施加物理高壓原則上沒(méi)有引入額外的電荷載流子，但是也可以實(shí)現(xiàn)接近40K的高溫超導(dǎo)電性。最近，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）極端條件物理實(shí)驗(yàn)室EX6組程金光研究員與研究生孫建平、葉光洲、博士后Prashant Shahi等，與國(guó)內(nèi)外多個(gè)課題組合作，采用在中科院物理所搭建的國(guó)內(nèi)第一套立方六面砧大腔體高壓低溫物性測(cè)量裝置（可同時(shí)實(shí)現(xiàn)15GPa靜水壓、1.5K最低溫和9T磁場(chǎng)），通過(guò)詳細(xì)的高壓下電阻率測(cè)試，繪制了FeSe單晶完整的溫度-壓力相圖[Nature Communications 7, 12146 (2016)]，揭示出高溫超導(dǎo)相恰好出現(xiàn)在長(zhǎng)程磁有序消失的臨界點(diǎn)附近，與FeAs基高溫超導(dǎo)體系類(lèi)似。為了進(jìn)一步揭示其高溫超導(dǎo)的機(jī)制，高壓下的電子結(jié)構(gòu)信息至關(guān)重要。然而，高壓下無(wú)法開(kāi)展角分辨光電子能譜測(cè)量，而量子振蕩測(cè)量也非常困難。為了克服這一難點(diǎn)，最近他們?cè)敿?xì)研究了FeSe單晶高壓下的霍爾效應(yīng)，首次獲得了FeSe單晶高壓下的電子結(jié)構(gòu)信息。
如圖1 所示，當(dāng)P < 2GPa時(shí)，費(fèi)米面在四方-正交結(jié)構(gòu)相變（電子向列序）溫度Ts處存在明顯重構(gòu)，造成低溫正常態(tài)的電輸運(yùn)性質(zhì)由電子型載流子主導(dǎo)，與常壓下的角分辨光電子能譜、量子振蕩測(cè)量等給出的結(jié)果一致。當(dāng)P > 2GPa時(shí)，長(zhǎng)程磁有序出現(xiàn)，此時(shí)正常態(tài)的電輸運(yùn)性質(zhì)變成由空穴型載流子主導(dǎo)（詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2和圖3），霍爾電阻在整個(gè)溫區(qū)都變?yōu)檎?。特別是在Pc= 6GPa附近，此時(shí)長(zhǎng)程磁有序恰好消失而且超導(dǎo)Tc最高，霍爾系數(shù)呈現(xiàn)出顯著增強(qiáng)，提高了超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于Pc附近正常態(tài)的順磁區(qū)不會(huì)出現(xiàn)載流子數(shù)目的顯著降低，因此，霍爾系數(shù)的增強(qiáng)主要?dú)w因于反鐵磁臨界點(diǎn)附近自旋漲落的增強(qiáng)而造成的載流子遷移率降低。在重費(fèi)米子體系的反鐵磁量子臨界點(diǎn)附近也觀察到類(lèi)似現(xiàn)象。這一結(jié)果表明FeSe高壓下出現(xiàn)的高溫超導(dǎo)相與反鐵磁臨界漲落具有重要聯(lián)系。
FeSe單晶高壓下的電子相圖表明其高壓下具有空穴型主導(dǎo)的電荷載流子，即存在空穴型費(fèi)米面，因此其費(fèi)米面結(jié)構(gòu)與前面提到的其它FeSe基高溫超導(dǎo)體系截然不同。結(jié)合第一性原理計(jì)算，他們進(jìn)一步證實(shí)高壓下存在電子型和空穴型費(fèi)米面，因此支持費(fèi)米面嵌套和電子-空穴散射機(jī)制，與FeAs基高溫超導(dǎo)體系非常類(lèi)似。該工作對(duì)深入理解FeSe單晶的獨(dú)特性質(zhì)、統(tǒng)一理解FeSe和FeAs基高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Physical Review Letters118,147004(2017)。本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委(11574377)、科技部(2014CB921500)、科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(XDB07020100)和前沿重點(diǎn)項(xiàng)目(QYZDB-SSW-SLH013)的支持。參與本工作的合作者包括：美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的閻加強(qiáng)博士和B. C. Sales博士，日本東京大學(xué)的Y. Uwatoko教授和T. Shibauchi教授研究組，美國(guó)密蘇里大學(xué)的D. J. Singh教授和清華大學(xué)的張廣銘教授。
[1] J. P. Sun, G. Z. Ye, P. Shahi, J.-Q. Yan, K. Matsuura, H. Kontani, G. M. Zhang, Q. Zhou, B.C. Sales, T. Shibauchi, Y. Uwatoko, D. J. Singh*, and J.-G. Cheng*; “High-Tc superconductivity in FeSe at high pressure: dominant hole carriers and enhanced spin fluctuations”; Physical Review Letters (2017) 118, 147004.
鏈接: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.118.147004
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圖1. FeSe單晶的溫度-壓力相圖和霍爾系數(shù)電子相圖 Ts：四方-正交結(jié)構(gòu)相變(電子向列序Nematic)轉(zhuǎn)變溫度；Tm：長(zhǎng)程磁有序轉(zhuǎn)變溫度；Tc：超導(dǎo)（SC）轉(zhuǎn)變溫度。 |
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| 圖2. FeSe單晶不同壓力、不同溫度下的霍爾電阻數(shù)據(jù)。 |
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| 圖3. FeSe單晶在不用壓力下的電阻率和霍爾系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。 |
