實驗發現自旋軌道耦合莫特絕緣體中的電子-玻色子耦合

銥氧化物Sr2IrO4是一種典型的自旋軌道耦合莫特絕緣體。實驗重大突破基於此研究背景,中國科學技術大學何俊峰特任教授與國內外同行合作,使用高解析度的同步輻射角分辨光電子能譜,對電子摻雜自旋軌道耦合莫特絕緣體Sr2IrO4展開系統研究,首次發現電子-玻色子耦合的直接實驗證據。

背景介紹

發現和理解摻雜莫特絕緣體產生的奇异量子現象是凝聚態物理研究中的一個覈心問題。摻雜莫特絕緣體的一個典型例子就是銅氧化物高溫超導體。在該體系中d波高溫超導、贗能隙、電子-玻色子耦合等三個重要量子現象逐步被實驗發現。並且,人們進一步意識到這三者之間相互密切聯繫。例如:贗能隙與d波超導密切相關(不管是作為可能的競爭者還是屬於一種預配對);電子-玻色子耦合則可能為超導提供配對所需的“膠水”;而最近的實驗證明電子-玻色子耦合與贗能隙也緊密聯系。尤其在銅氧化物高溫超導體Bi2Sr2CaCu2O8+σ的研究中發現電子-玻色子(聲子)耦合與贗能隙間可以形成一個正回饋,並有可能進一步增強d波超導[Science 362,62(2018)]。綜上,贗能隙、d波超導以及電子-玻色子耦合的發現和理解對於最終揭示銅氧化物高溫超導體中的物理規律至關重要。銥氧化物Sr2IrO4是一種典型的自旋軌道耦合莫特絕緣體。在這種資料中,電子-電子關聯作用(U)與自旋軌道耦合作用相互合作,使得能帶劈裂為上下Hubbard帶,從而形成莫特絕緣體。在理論上,Sr2IrO4跟銅氧化物高溫超導體可以被相同的微觀模型所描述。囙此,一個很自然的問題是,在Sr2IrO4體系中,隨著摻雜是否可以發現如銅氧化物中所呈現的奇异量子現象。近些年,實驗上確實在電子摻雜的Sr2IrO4體系中發現了與銅氧化物中類似的贗能隙和d波能隙(該d波能隙被認為可能與超導有關,但超導尚未被輸運量測所證實)。那麼在銅氧化物高溫超導體中同樣扮演重要角色的電子-玻色子耦合在銥氧化物Sr2IrO4中又是否存在呢?

實驗重大突破

基於此研究背景,中國科學技術大學何俊峰特任教授與國內外同行合作,使用高解析度的同步輻射角分辨光電子能譜,對電子摻雜自旋軌道耦合莫特絕緣體Sr2IrO4展開系統研究,首次發現電子-玻色子耦合的直接實驗證據。該研究成果於2019年11月21日發表在《物理評論快報》上[Physical Review Letters 123,216402(2019)]。


該工作中,研究人員同時運用元素替代和表面K吸附,在Sr2IrO4中實現了較高濃度的電子摻雜,並運用角分辨光電子能譜對資料電子結構進行量測,發現了對應電子-玻色子耦合的能帶“扭折”,與銅氧化物高溫超導體中的相關實驗現象非常類似(如圖所示)。

圖:電子摻雜銥氧化物中電子-玻色子耦合的光電子能譜證據

這一最新發現不僅揭示了銥氧化物與銅氧化物另一個共同的物理性質,而且為研究摻雜莫特絕緣體中的覈心問題:贗能隙,d波能隙以及電子-玻色子耦合間的關係,提供了一個嶄新的視窗。在該文章中,中國科學技術大學博士後胡勇是第一作者,美國加利福尼亞大學Santa Barbara分校的陳祥博士為並列第一作者,中國科學技術大學何俊峰特任教授為論文通訊作者。

研究討論

實驗在電子摻雜Sr2IrO4中發現了電子-玻色子耦合,那麼對應的玻色子可能是什麼呢?第一種可能是聲子,在電子摻雜Sr2IrO4中一個主要的聲子模式是B2g,其能量正好與本實驗中的玻色子能量符合。然而,在這種影像下,實驗中摻雜依賴的結果需要進一步的研究來理解。第二種可能是磁激發,實驗上觀察到的玻色子也可能對應合適能量的磁激發。然而我們注意到在Sr2IrO4中並不存在銅氧化物高溫超導體中的磁共振模式。第三種可能是來源於Sr2IrO4中存在的hidden order的漲落。這種hidden order最近被實驗發現,但它具體對應什麼,以及其漲落是否可以對應本實驗中的玻色子仍有待進一步研究。除此之外,如上文中提到,贗能隙,d波能隙已經在電子摻雜Sr2IrO4中被發現,而本實驗發現了電子-玻色子耦合。那麼,這三者在Sr2IrO4中是否也像在銅氧化合物高溫超導體中一樣緊密關聯呢?它們之間的關係是否與高溫超導的機理密切相關?電子摻雜Sr2IrO4中的d波能隙是不是真正對應高溫超導呢?這些問題都有待進一步研究。

個人簡介

圖|何俊峰(通訊作者)

何俊峰,中國科學技術大學特任教授,博士生導師。博士畢業於中科院物理所,曾在波士頓學院和斯坦福大學從事博士後研究,並於日本廣島大學擔任客座教授。研究興趣主要集中在關聯資料及拓撲資料的電子結構研究。研究手段主要為角分辨光電子能譜和共振X射線散射。至今在Nature,Science,Nature Materials,Science Advances,PRL,PNAS,Nature Communications等國際期刊發表論文40餘篇,被引用2500餘次。長期擔任Nature子刊及PRL等雜誌審稿人。

圖|胡勇(一作)

胡勇,中國科學技術大學博士後。2018年博士畢業於中科院物理所,同年加入中國科大。主要研究領域為關聯資料和拓撲資料。實驗手段為角分辨光電子能譜。在Nature子刊,PRL,PRB等雜誌發表論文數篇。

圖|陳祥(並列一作)

陳祥,2018年博士畢業於加州大學Santa Barbara分校(波士頓學院博士學位),同年加入加州大學伯克利分校開展博士後研究。主要研究領域為關聯資料,擅長樣品生長及中子散射量測。在Nature子刊,PRL,PRB等雜誌發表論文數篇。
本文標題: 實驗發現自旋軌道耦合莫特絕緣體中的電子-玻色子耦合
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656067812304652
相关資料
《Science》刊發華中科技大學夏寶玉教授團隊最新研究成果!
據悉,這也是化學與化工學院教師首次在《Science》上發表論文。
標籤: 燃料電池
科學家首次實驗驗證量子金屬態的存在
量子資料以及量子相變是21世紀凝聚態物理與資料領域的研究熱點。二維量子金屬態的存在及其形成機制,是30餘年來國際學術界一直懸而未決的重要物理問題。雖然在各種二維超導系統中已經發現了量子金屬態的可能迹象,但由於低臨界溫度的限制和外界高頻雜訊的
標籤: 量子 量子態 量子效應 量子通訊 科學 科普
Li-N₂電池,一種可逆的儲能系統?
由信陽師範學院張彰博士帶領的研究團隊將石墨烯作為正極資料引入Li-N電池,在實現優异的迴圈穩定性的基礎上,為Li-N電池提供了强有力的測試表徵,促進了對Li-N電池的全面理解,對於擴展其他金屬空氣電池的應用也有一定意義。鑒於之前的報導,這種
標籤: 電池 放電深度 儲能 電化學
西北工業大學化學與化工學院陳凱傑教授團隊在《Science》雜誌發表重要科研成果
該論文也是繼6月22日西工大生態與環境保護研究中心團隊以西工大為通訊組織,在同一期《科學》雜誌上發表3篇論文之後,該校2019年在《科學》雜誌上發表的第4篇研究論文,彰顯了西工大在基礎研究領域接連取得的豐碩成果,展現了該校在“雙一流”建設行
標籤: 乙烯 大學 化學吸附 乙炔