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【科研进展】张文涛研究组在FeSe超导体超快电子结构相变研究取得进展

量子材料中的电子向列相(nematic phase),即电子态的旋转对称性破缺但仍然保持着平移对称性,这种奇异的电子态在铜氧化物、铁基等超导体及最近发现的笼目结构超导体中普遍存在。研究电子向列相的产生机制及其与高温超导配对机制之间的关联,是目前超导物理的研究重点之一。

近期,英亚登录张文涛研究组基于所研制的具备高能量、时间分辨率优势的先进角分辨光电子能谱系统,利用超快激光激发,在FeSe超导体中探测到两个纯电子结构相变,并发现晶格结构相变对向列相电子态有着奇异的贡献,该工作以“Anomalous Contribution to the Nematic Electronic States from the Structural Transition in FeSe Revealed by Time- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”为题,近期发表在《Physical Review Letters》上。

上图:实验原理图;(a)布里渊区中心三条空穴型能带随着激发密度的变化趋势;(b-c)三条能带能量分布曲线随激发密度的变化;(e)三条能带的谱重随激发密度的变化。

FeSe是晶格结构最简单的铁基超导体,与大多数铁基超导体不同的是,FeSe在发生结构相变时并没有伴随着磁结构的相变,为研究纯的电子向列相和超导相之间的关联提供了独特的平台。在研究其向列相起源问题时,大量的平衡态变温实验认为,在发生结构相变时,晶格结构畸变量(< 0.5%)不足以引起相对而言比较大的电阻面内各向异性(~ 4%),因此普遍忽略了晶格自由度对向列相电子态的影响,但是实际上对于平衡态变温实验(Te = Tl,Te、Tl分别为电子和晶格温度),无法将晶格自由度和电子自由度区分开,难于判断两者分别对向列相电子态的贡献。在本研究中利用超快激光泵浦的方式,在超短的时间内可实现电子自由度和晶格自由度的分离(Te ? Tl),分别提取两者对向列相电子态的贡献。

左图:三条能带的能量移动随着激发密度的变化;中图:三条能带的能量移动随温度的变化;右图:二者的对比示意图。 

对比非平衡态超快过程中的能量移动(纯电子序贡献)以及平衡态变温过程中的能量移动(纯电子序和晶格相变贡献总和),可提取出晶格结构相变对向列相电子态的影响,对于dyz,dxz和dz2能带的能量移动影响分别为-1,5和12 meV,与激光泵浦纯电子结构相变引起的能带移动大小相当,证明晶格结构相变对向列相电子态有着不可忽略的贡献。

与此同时,张文涛研究组还利用所研制的超高能量分辨角分辨光电子能谱(分辨率好于0.4 meV),对FeSe中向列相和超导能隙随S掺杂的变化进行了精细研究,发现随着掺S增加,超导能隙减。毕蛄邢嘧湮露冉档,证明向列相的出现有利于增强超导配对强度(Yang et al., Chin. Phys. Lett. 39, 057302, (2022), Express Letter)。

(a)FeSe1-xSx中费米面上能量分布曲线;(b)FeSe1-xSx中超导能隙随掺S的演化。

本工作主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金委、上海市教委创新计划和上海市科技重大专项资助,与复旦大学赵俊教授课题组、英亚登录钱冬教授、向导教授合作完成。英亚登录博士生杨媛媛为本工作第一作者,张文涛为通讯作者。

文章链接:

FeSe中超快纯子结构相变(Yang et al., PRL 128, 246401 (2022)):

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.246401

FeSe1-xSx中超导能隙随掺S的演化(Yang et al., CPL 39, 057302, (2022), Express Letter):

http://cpl.iphy.ac.cn/article/10.1088/0256-307X/39/5/057302

本研究组相关时间分辨角分辨光电子能谱研究进展:

/node/3195

/node/2937

 

 

 

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