PNAS—闻海虎戴鹏程等—高温超导机理研究

最近，由中科院物理所研究员闻海虎领导的科研小组与美国田纳西大学物理系教授、橡树岭国家实验室研究员戴鹏程领导的科研小组通过合作，在铜氧化合物高温超导体的机理问题方面取得重要进展，揭示了自旋涨落和关联与高温超导的密切关系。该工作发表在《美国科学院院刊》 [Proceedings of National Academy of Sciences(PNAS) 104，15259-15263(2007)]上。
 
铜氧化合物高温超导体的机理问题是凝聚态物理中最具挑战性的问题之一，对它的理解和认识将导致超导理论乃至固体物理的重大突破。众所周知，超导态是电子系统通过电子配对而凝聚成的一个低能态。在通常的BCS超导图像中，电子配对和凝聚同时发生。超导态被一个配对能隙所保护，只有热涨落足以破坏此能隙时，超导就被破坏。超导态和非超导态之间的能量差被称作超导凝聚能。在超导态加磁场，库泊对会被拆散从而超导体失去超导性。
 
在铜氧化物高温超导体中，电子如何配对和凝聚仍然是个迷。在众多的高温超导体中，人们发现一旦进入超导态，在自旋涨落谱上的某个能量会有一个集体激发，形成一个特定能量的共振峰。有初步的试验表明，这个共振峰与超导态中的超导电子数有关系。样品进入正常态后，此共振峰随即消失。研究此共振峰与超导的关系是目前高温超导机理研究的关键所在。
 
精确测量超导态的凝聚能非常困难，原因是高温超导体的超流电子数很少。另外，在空穴掺杂的高温超导体中，破坏超导的临界磁场(上临界磁场)很高，一般很难用10特斯拉左右的实验室常用磁场来将超导完全破坏，因此无法精确测量超导态与正常态的能量差。电子型掺杂的高温超导体上临界磁场不是很高，这为我们研究超导凝聚能和磁激发共振峰的关系提供了条件。
 
低温比热在研究超导体的低能准粒子激发和机理方面非常重要。闻海虎研究员领导的小组在过去几年中专心致力于这方面的研究，并取得一些重要进展[PRB70, 214505(2004); PRB72, 134507(2005); PRB76, 064512(2007)]。比如，通过测量低能准粒子激发，他们发现并指出高温超导体的赝能隙基态具有费米弧特性，进入超导态后，在这些费米弧上面会逐渐建立一个新的能隙，它的大小反映了超导能量的尺度。这个模型正被越来越多的手段所证实并成为当今的一个研究热点。在目前的研究当中，他们选择电子型掺杂的高温超导体PrLaCeCuO，在克服了很多的技术障碍之后，在宽温区测量到高质量的超导比热数据并准确获得了凝聚能随磁场的演化关系。美国合作者利用中子散射实验测量了磁激发谱上面的共振峰，发现它被磁场压制的规律与比热测量到的超导凝聚能随磁场的变化规律完全一致。磁场高于上临界磁场以后，超导凝聚能和磁共振峰同时消失，随之出现的是反铁磁长程有序。这个多手段实验结果说明高温超导与磁涨落和磁关联的密切关系，同时也说明配对是非同寻常的。至于磁涨落导致配对还是凝聚，是下一阶段要弄清楚的问题。此外，超导和反铁磁长程序相互竞争，它们是磁涨落导致的两种不同基态。这些重要发现将会大大促进高温超导机理问题的认识和发展。比热数据并准确获得了凝聚能随磁场的演化关系。