合肥研究院等在新型含氢铁基超导体电子性质研究中取得进展,中国科学院合肥物质科学研究院

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员邹良剑课题组在铜基和铁基超导材料的电子向列相研究中取得系列进展。相关成果发表在Journal
of the Physical Society of Japan
(2014, 83, 024705)、Chinese Physics.
B
(2015, 24, 017404)、Physical Review B (2015, 92,
085109)上。其中发表在Chinese Physics. B上的文章入选了National Science
Review
杂志(National Science Review, Volume 2, Issue 3. Pp 253-254)。

近期,固体所物质计算科学研究室邹良剑研究员与美国加州大学戴维斯分校Warren
Pickett教授合作,在新型含氢铁基超导体电子性质方面的研究取得新进展,发现掺氢使体系出现一个非常规的能带色散,导致在费米能级以下的特殊的范霍夫奇异性(van
Hove singularity),可能有利于体系形成高的超导转变温度。相关成果发表在
Phys. Rev. B 93, 195148 上。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所物质计算科学研究室研究员邹良剑与美国加州大学戴维斯分校教授Warren
Pickett合作,在新型含氢铁基超导体电子性质方面的研究取得新进展,发现掺氢使体系出现一个非常规的能带色散,导致在费米能级以下的特殊的范霍夫奇异性(van
Hove
singularity),可能有利于体系形成高的超导转变温度。相关成果发表在Phys.
Rev. B
93, 195148 上。

电子向列相是铜基和铁基超导材料中普遍存在的一个较为奇特的电子相。在电子向列相中,系统的4重旋转对称性被破坏,而平移对称性被保留。在铜基超导材料中,这一电子相的相变温度与赝能隙的初始温度相同,因此理解其机制对解释铜基超导的赝能隙现象起着关键作用。而在铁基超导材料中,它开始于反铁磁转变温度和结构转变温度以上,并且与超导相相邻,理解其产生机制有助于理解铁基中超导电性的产生机制。然而迄今为止,其微观物理机制仍然处于争议之中。

目前发现的铁基超导材料主要有四大类,虽然这些化合物基本结构单元非常类似,但是不同化合物的超导转变温度差别却非常大;同时,通过对比研究不同体系的电子性质,可为澄清铁基超导材料的超导关键机制提供一种非常有效的手段。最近发现的新型La掺杂的含氢铁基超导体钙铁砷氢,
其超导转变温度高达47
K,成为新型铁基高温超导体电子性质的重要研究对象,有可能对高温超导体非常规超导机制的研究带来新的启示。

目前发现的铁基超导材料主要有四大类,虽然这些化合物基本结构单元非常类似,但是不同化合物的超导转变温度差别却非常大;同时,通过对比研究不同体系的电子性质,可为澄清铁基超导材料的超导关键机制提供一种非常有效的手段。最近发现的新型La掺杂的含氢铁基超导体钙铁砷氢,其超导转变温度高达47
K,成为新型铁基高温超导体电子性质的重要研究对象,有可能对高温超导体非常规超导机制的研究带来新的启示。

为了揭示电子向列相的微观物理机制,研究人员采用量子变分蒙特卡罗方法,对基于铜基和铁基材料的多带哈伯德模型进行了研究。在铜基材料中,研究发现电子向列相可以完全由电子-电子关联所驱动,其中铜氧平面内铜离子的在位库仑排斥能、近邻铜离子和氧离子之间的库仑排斥能都在其中起着重要的作用。而在铁基材料中,研究发现铁平面内最近邻铁离子间的库仑相互作用V,对电子向列相的稳定起着关键性的作用,其机理为V的交换项在动量空间中引入了各向异性的电子-电子相互作用,从而引起了费米面的畸变;而费米面的各向异性,进一步引起了自旋关联的各向异性以及铁的3d
xz和yz轨道上的轨道序的发生。这一发现与之前的理论假设完全不同,它为铁基中电子向列相的形成提供了一个全新的理论解释。该理论解释有助于将不同铁基超导材料中的电子向列相的形成归结到一个统一的物理图像之中,在铁基超导材料研究中有重要的意义。

为了研究H‒和F‒等价离子掺杂的不同影响,研究人员计算了CaFeAsH中H被F替代前后,以及不同替代量的能带、态密度、费米面以及电荷密度差等电子结构性质,发现掺氢使体系形成一条非常规的具有强色散的能带,如图1所示,在费米能级下出现一个特殊的范霍夫奇异性,导致CaFeAsH的三维特征费米面不同于钙铁砷氟。这种独特的电子结构特征可能都会对提高超导电性具有非常重要的影响。同时,研究人员通过进一步计算CaFeAsH的磁基态和对费米面嵌套分析,如图3所示,证明其基态为条纹反铁磁相;针对实验上的掺杂浓度,研究表明La或Co掺杂会明显抑制CaFeAsH的费米面嵌套,破坏了母相的磁有序态,从而导致体系出现超导。

为了研究H‒和F‒等价离子掺杂的不同影响,研究人员计算了CaFeAsH中H被F替代前后,以及不同替代量的能带、态密度、费米面以及电荷密度差等电子结构性质,发现掺氢使体系形成一条非常规的具有强色散的能带,如图1所示,在费米能级下出现一个特殊的范霍夫奇异性,导致CaFeAsH的三维特征费米面不同于钙铁砷氟。这种独特的电子结构特征可能会对提高超导电性具有非常重要的影响。同时,研究人员通过进一步计算CaFeAsH的磁基态和对费米面嵌套分析,如图3所示,证明其基态为条纹反铁磁相;针对实验上的掺杂浓度,研究表明La或Co掺杂会明显抑制CaFeAsH的费米面嵌套,破坏了母相的磁有序态,从而导致体系出现超导。

相关论文信息:

上述研究成果得到了国家自然科学基金面上项目和美国国家科学基金的资助。

上述研究成果得到了国家自然科学基金面上项目和美国国家科学基金的资助。

[1] X. J. Zheng, Z. B. Huang, L. J. Zou, Spontaneous Fermi surface
deformation in the three-band Hubbard model: A variational Monte Carlo
study,
J. Phys. Soc. Jpn. 83, 024705 .

Y. N. Huang, D. Y. Liu, L. J. Zou*, Warren E. Pickett*, Role of
Hydrogen in the Electronic Properties of CaFeAsH-based Superconductors,
Physical Review B 93, 195148 .

论文信息:Y. N. Huang, D. Y. Liu, L. J. Zou*, Warren E. Pickett*,
Role of Hydrogen in the Electronic Properties of CaFeAsH-based
Superconductors, Physical Review B
93, 195148 .

[2] X. J. Zheng, Z. B. Huang,D. Y. Liu,L. J. Zou, Nematic state
stabilized by off-site Coulomb interaction in iron-based
superconductors,
Phys. Rev. B92, 085109 .

文章链接地址:

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[3] X. J. Zheng, Z. B. Huang, L. J. Zou, Variational Monte Carlo
study of the nematic state in iron-pnictide superconductors with a
five-orbital model,
Chinese Phys. B 24, 017404 .

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图1. As-4pz轨道的特征能带图

图1. As-4pz轨道的特征能带图

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图1:铜基超导中电子向列相各部分能量随着序参数δvar的变化,对应的掺杂浓度分别为0和0.05。可以看到铜的在位库仑排斥能Ud,铜-氧间的库仑排斥能Vpd以及电荷转移能Δct对于向列相的稳定起重要贡献。

图2. 相同晶格参数下电荷密度差值ρ-ρ

图2. 相同晶格参数下电荷密度差值ρ-ρ

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图2:铁基超导中电子向列相中各部分能量随着掺杂浓度x的变化;凝聚能随着近邻铁离子间的库仑相互作用V的变化情况。可以看到V大于0.35eV时电子向列相才开始稳定。

图3. 费米面嵌套和嵌套函数

图3. 费米面嵌套和嵌套函数

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图3:铁基超导中电子向列相的费米面畸变。为正常态的费米面,为电子向列相的费米面。