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北京凝聚態物理國家研究中心
SC7組供稿
第65期
2020年08月25日
FeSe超導體向列相光電子能譜的精密觀測揭示存在未知對稱破缺的證據

  FeSe 超导体具有简单的晶体结构,在低温下不具有反铁磁长程序, 但在90K以下进入向列序态,在超导温度(Tc)9K以下呈现出超导和向列序共存的状态。因此,FeSe超导体是研究铁基超导体中向列相相关物理以及超导机理的理想体系。 FeSe的众多衍生物,如插层FeSe、KxFe2-ySe2、 (Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3等,表現出豐富的物理特性及高超導轉變溫度,其中單層FeSe/SrTiO3的超導轉變溫度可能在65K以上。對FeSe超導體本征電子結構的研究,不僅對理解其物理性質和超導機理至關重要,而且是研究其它衍生物的基礎。十多年來,對FeSe超導體的電子結構已經進行了大量的研究。迄今爲止,理論和實驗研究者都普遍認爲,FeSe超導體在向列序態,布裏淵區中心附近只存在一個空穴型費米面。

  彩票二元网/北京凝聚態物理國家研究中心超导国家重点实验室周兴江研究组的李聪、赵林副研究員等,与物理所吴贤新博士、王乐博士、石友国研究員、胡江平研究員和向涛院士等合作,利用最新一代基于时间飞行能量分析器的激光角分辨光电子能谱仪,结合理论计算,发现了FeSe超导体全新的费米面结构,揭示了FeSe 中存在向列序之外未知对称破缺的证据。

  利用新一代激光光電子能譜的高分辨率和動量空間一次面探測的優勢,結合采用不同偏振的激光對軌道的選擇性,他們在FeSe超導體中首次在布裏淵區中心附近直接觀察到兩個空穴型費米面結構,內圈費米面主要由dxz軌道組成,而外圈費米面則由dxz軌道和dyz軌道組成(圖1)。對能帶結構的測量發現,在布裏淵區中心的三支能帶都表現出能帶劈裂(圖2)。進一步理論分析表明,如果只考慮向列序和軌道雜化,不可能産生實驗觀察到的雙費米面結構和相應的能帶劈裂現象。這些結果表明,FeSe超導體中存在向列序之外的新的有序態,這種隱藏序通過破缺空間反演或時間反演對稱性,消除自旋簡並,來實現觀察到的雙費米面結構及能帶劈裂(圖3)。

  向列序下 FeSe 超导体全新费米面结构和能带劈裂的发现,要求重新检查之前与 FeSe 相关的理论和实验结果,为研究FeSe超导体的物性和超导机理提供了新的关键信息,进一步促进对向列序下 FeSe 超导体中隐藏序起源的相关研究。 相关研究结果发表在近期的Physical Review X上,Cong Li et al., Spectroscopic Evidence for an Additional Symmetry Breaking in the Nematic State of FeSe Superconductor, Phys. Rev. X 10, 031033 (2020).

  上述研究工作獲得了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院等的資助。

  文章鏈接:https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.10.031033


图1. 单畴 FeSe 在布里渊区中心双空穴费米面结构的发现。


图2. 单畴 FeSe 沿高对称方向的能带劈裂及其轨道属性。


图3. 考虑空间反演或时间反演对称性破缺计算的 FeSe 费米面和能带结构及其与实验测量结果的对比。