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复旦大学物理学系殳蕾课题组
在高温超导体赝能隙研究领域取得重要进展

发布时间:2018-01-09

近日,复旦大学物理学系、复旦大学应用表面物理国家重点实验室副研究员殳蕾课题组利用缪子自旋弛豫技术,发现铜氧化物高温超导体赝能隙态存在较慢的磁性涨落以及临界迟缓现象。相关研究成果于美国时间2018年1月5日以《发现高温超导体钇钡铜氧赝能隙态中的缓慢磁涨落和临界迟缓》(Discovery of slow magnetic fluctuations and critical slowing down in the pseudogap phase of YBa2Cu3Oy)为题,在线发表于《科学·进展》(Science Advances)。

铜氧化物高温超导体YBa2Cu3Oy随氧含量变化的温度相图。红色点为缪子自旋弛豫实验观察到临界变慢效应产生的温度,插图为测量得到的磁有序大小随氧含量的依赖关系。

自从铜氧化物高温超导体被发现以来,一直引起物理学界的广泛关注。在特定温度以下,铜氧化物高温超导体正常态存在电子元激发谱的能隙,这一现象被称为“赝能隙”。赝能隙与高温超导机理之间的本质联系,是高温超导研究的核心问题之一,其中主要的问题与争论在于:赝能隙是否是一个热力学相变行为?能用哪些对称性的破缺进行描述?一些对研究物质对称性破缺十分敏感的实验技术,例如极化中子衍射、光学双折射、分色角分辨光电子能谱、光学二次谐振波、极向克尔效应实验等,在赝能隙位置探测到时间反演对称破缺以及空间反演对称破缺。这些实验观测结果都与电子环流序模型或者其他预言晶格内磁有序模型相符合。但是,作为有效的局域磁场探针的核磁共振和缪子自旋弛豫实验手段却一直没能在铜氧化物高温超导体的赝能隙态中观察到由于晶格内磁有序产生的磁场,使得相关学术问题在近十几年以来一直存在巨大的争议。

课题组研究人员注意到,缪子自旋弛豫或核磁共振实验能探测的磁场涨落频率尺度较小。如果赝能隙中存在的磁有序涨落频率相对探测尺度较快,该磁有序会因“动态变窄”效应使得实验探测到的磁场数值平均为零。这样的磁有序会导致动态缪子自旋弛豫过程,出现自旋极化以洛伦兹形式的衰减,并且动态缪子自旋极化弛豫率与磁场(该磁场方向与缪子自旋方向平行)之间存在“Redfield”依赖关系。因此研究赝能隙态中是否存在动态缪子自旋弛豫率是探测晶格内磁有序存在与否的关键。

自2016年初开始,课题组在全新的探测局域磁场的实验构想下,多次对铜氧化物高温超导体YBa2Cu3Oy体系进行了缪子自旋弛豫实验,在不同掺杂样品中的赝能隙态中均观测到动态缪子自旋弛豫率,并确定该动态弛豫率随磁场之间的“Redfield”依赖关系。分析得到局域涨落磁场大小在1毫特量级,涨落具有较慢的频率,但仍处于“动态变窄”效应的频率要求范围内。实验探测到涨落磁有序与中子衍射实验结果吻合,并且支持电子环流序模型。研究还发现:赝能隙打开温度下,动态缪子自旋弛豫率存在明显的峰值,这是存在临界迟缓现象的强有力证据,支持赝能隙的出现是一个二阶相变。

该研究澄清了最近十几年来在铜氧化物高温超导体中关于赝能隙是否存在晶格内磁有序的争议,为阐明铜氧化物高温超导机制奠定了基础。目前,课题组正对相关课题进行更深入的后续研究。

殳蕾为本文通讯作者,殳蕾课题组博士研究生张建、丁兆峰分别为本文第一、第二作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委项目的共同资助。缪子自旋弛豫实验由加拿大国家粒子与核物理实验室TRIUMF和英国卢瑟福·阿普顿实验室ISIS两个缪子源完成。高质量YBa2Cu3Oy材料母体由上海交通大学姚忻教授课题组提供。

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