BiS2基超导体配对对称性及FeSe向列相电子结构研究

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自从超导电性发现以来,室温超导电性就成了物理学家们一个孜孜以求的目标。铜基高温超导体的发现,在大幅提高超导转变温度的同时,也挑战了传统的电声子耦合引起超导电性的BCS理论。迄今,高温超导机制仍然悬而未决,成为了凝聚态物理学核心问题之一。2008年发现的铁基高温超导体以及后来发现的BiS2基超导体,具有与铜基高温超导体类似的层状晶体结构,在物理性质上也有很多相似性,对它们的详细研究,可以为我们理解高温超导提供新的视角,并进一步深化我们对高温超导的认识。本论文分为两部分,第一部分研究BiS2基超导体的超导配对对称性;第二部分理解FeSe超导体向列相的电子结构性质。  BiS2基超导体的扫描隧道谱和非弹性中子散射实验结果都表明该类材料可能是非常规超导体。密度泛函理论计算显示,该类材料的超导层具有准一维特性,这暗示电子间关联相互作用可能非常重要。基于这些考虑,我们假设BiS2基超导体内电子间的关联相互作用仍然很重要以至于只能近距离形成超导配对,然后采用t-J模型研究了该类材料的配对对称性。我们发现,考虑到次近邻格点间配对情况下,一个推广的s波配对对称性总是占主导地位,不管掺杂浓度和所选相互作用强度大小。配对强度的最大值对应的电子掺杂浓度与实验的最佳的名义掺杂浓度相吻合。这种推广的s波配对对称性对自旋轨道耦合效应也非常稳定,因为它主要由费米面的结构决定。  在成功生长出BiS2基超导体单晶后,角分辨光电子发射谱就研究了它们的电子结构。实验结果表明BiS2基超导体的实际掺杂浓度比名义掺杂浓度低得多,并且,电子间的关联相互作用没有我们想象的强。利用随机相近似和泛函重整化群方法,我们发现在低电子掺杂浓度时,一个g波配对对称性占主导地位。它属于系统的A2g不可约表示。这种g波配对对称性由不同费米面间的嵌套和费米面上的轨道特征决定,对计算所选参数非常稳定。随着电子掺杂浓度的提高,g波配对与属于A1g的s波、B2g的d波间会相互角逐,争夺主导地位,但没有一个胜出。  最近,FeSe的向列相引起了大量关注。FeSe超导体具有非常奇异的属性:压力、插层和单层化都能大幅提高其超导转变温度。此外,FeTe1-xSex在超导态时,体内间隙位的Fe杂质上存在不受磁场影响的零能束缚态。要理解这些现象,搞清楚正常态的物相是非常有必要的,它们是我们进一步研究的出发点,直接影响超导机制。这正是本论文第二部分的主要工作。我们研究了FeSe中可能存在的各种有序相以及自旋轨道耦合对FeSe正常态电子结构的影响,发现用dxz/yz和dxy轨道的d波向列序以及自旋轨道耦合效应几乎可以解释现有的FeSe向列相的所有角分辨光电子发射谱实验结果,包括Γ点对温度不敏感的劈裂、M点劈裂的温度依赖性、最近观察到的狄拉克锥以及它对温度的依赖关系。狄拉克锥对薄膜厚度和Co掺杂量的依赖关系,是电子掺杂和Se高度降低的结果。我们的所有研究结果都表明,FeSe中的向列相主要是d波向列序,属于电子性起源。
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