進展 | 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

2020-08-30 中科院物理所

FeSe 超導體具有簡單的晶體結構，在低溫下不具有反鐵磁長程序, 但在90K以下進入向列序態，在超導溫度（Tc）9K以下呈現出超導和向列序共存的狀態。因此，FeSe超導體是研究鐵基超導體中向列相相關物理以及超導機理的理想體系。FeSe的眾多衍生物，如插層FeSe、KxFe2-ySe2、 (Li,Fe)OHFeSe和單層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超導體本徵電子結構的研究，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。迄今為止，理論和實驗研究者都普遍認為，FeSe超導體在向列序態，布裡淵區中心附近只存在一個空穴型費米面。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室周興江研究組的李聰、趙林副研究員等，與物理所吳賢新博士、王樂博士、石友國研究員、胡江平研究員和向濤院士等合作，利用最新一代基於時間飛行能量分析器的雷射角分辨光電子能譜儀，結合理論計算，發現了FeSe超導體全新的費米面結構，揭示了FeSe 中存在向列序之外未知對稱破缺的證據。

利用新一代雷射光電子能譜的高解析度和動量空間一次面探測的優勢，結合採用不同偏振的雷射對軌道的選擇性，他們在FeSe超導體中首次在布裡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，在布裡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，不可能產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，消除自旋簡併，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 超導體全新費米面結構和能帶劈裂的發現，要求重新檢查之前與 FeSe 相關的理論和實驗結果，為研究FeSe超導體的物性和超導機理提供了新的關鍵信息，進一步促進對向列序下 FeSe 超導體中隱藏序起源的相關研究。相關研究結果發表在近期的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。

文章連結：

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

圖1. 單疇 FeSe 在布裡淵區中心雙空穴費米面結構的發現

圖2. 單疇 FeSe 沿高對稱方向的能帶劈裂及其軌道屬性

圖3. 考慮空間反演或時間反演對稱性破缺計算的 FeSe 費米面和能帶結構及其與實驗測量結果的對比

編輯：小林綠子

1.

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