費米面拓撲結構及其與磁性的相互關聯(lián),被認為是理解鐵基高溫超導機理的關鍵。大多數(shù)FeAs基高溫超導體的能帶結構包含位于布里淵區(qū)中心的空穴型費米面和位于布里淵區(qū)頂角的電子型費米面，因此，空穴和電子費米面之間的散射被普遍認為是鐵基超導電子配對的重要機制。但是，在FeSe基高溫超體系中，包括AxFe2-ySe2(A=K,Cs,Rb,Tl)、(Li1-xFex)OHFeSe、單層FeSe/SrTiO3薄膜等只有電子型費米面，沒有空穴型費米面，這使得費米面嵌套機制不再適用。FeAs基和FeSe基高溫超導體系不同的費米面拓撲結構,是對統(tǒng)一理論框架下理解鐵基高溫超導機制很大的挑戰(zhàn)。
不同于堿金屬插層或者生長單層膜等對FeSe進行電子摻雜的手段，施加物理高壓原則上沒有引入額外的電荷載流子，但是也可以實現(xiàn)接近40K的高溫超導電性。最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）極端條件物理實驗室EX6組程金光研究員與研究生孫建平、葉光洲、博士后Prashant Shahi等，與國內外多個課題組合作，采用在中科院物理所搭建的國內第一套立方六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置（可同時實現(xiàn)15GPa靜水壓、1.5K最低溫和9T磁場），通過詳細的高壓下電阻率測試，繪制了FeSe單晶完整的溫度-壓力相圖[Nature Communications 7, 12146 (2016)]，揭示出高溫超導相恰好出現(xiàn)在長程磁有序消失的臨界點附近，與FeAs基高溫超導體系類似。為了進一步揭示其高溫超導的機制，高壓下的電子結構信息至關重要。然而，高壓下無法開展角分辨光電子能譜測量，而量子振蕩測量也非常困難。為了克服這一難點，最近他們詳細研究了FeSe單晶高壓下的霍爾效應，首次獲得了FeSe單晶高壓下的電子結構信息。
如圖1 所示，當P < 2GPa時，費米面在四方-正交結構相變（電子向列序）溫度Ts處存在明顯重構，造成低溫正常態(tài)的電輸運性質由電子型載流子主導，與常壓下的角分辨光電子能譜、量子振蕩測量等給出的結果一致。當P > 2GPa時，長程磁有序出現(xiàn)，此時正常態(tài)的電輸運性質變成由空穴型載流子主導（詳細數(shù)據(jù)見圖2和圖3），霍爾電阻在整個溫區(qū)都變?yōu)檎?。特別是在Pc= 6GPa附近，此時長程磁有序恰好消失而且超導Tc最高，霍爾系數(shù)呈現(xiàn)出顯著增強，提高了超過一個數(shù)量級。由于Pc附近正常態(tài)的順磁區(qū)不會出現(xiàn)載流子數(shù)目的顯著降低，因此，霍爾系數(shù)的增強主要歸因于反鐵磁臨界點附近自旋漲落的增強而造成的載流子遷移率降低。在重費米子體系的反鐵磁量子臨界點附近也觀察到類似現(xiàn)象。這一結果表明FeSe高壓下出現(xiàn)的高溫超導相與反鐵磁臨界漲落具有重要聯(lián)系。
FeSe單晶高壓下的電子相圖表明其高壓下具有空穴型主導的電荷載流子，即存在空穴型費米面，因此其費米面結構與前面提到的其它FeSe基高溫超導體系截然不同。結合第一性原理計算，他們進一步證實高壓下存在電子型和空穴型費米面，因此支持費米面嵌套和電子-空穴散射機制，與FeAs基高溫超導體系非常類似。該工作對深入理解FeSe單晶的獨特性質、統(tǒng)一理解FeSe和FeAs基高溫超導機理提供了重要實驗依據(jù)。
相關研究成果近日發(fā)表在Physical Review Letters118,147004(2017)。本工作得到國家自然科學基金委(11574377)、科技部(2014CB921500)、科學院B類先導專項(XDB07020100)和前沿重點項目(QYZDB-SSW-SLH013)的支持。參與本工作的合作者包括：美國橡樹嶺國家實驗室的閻加強博士和B. C. Sales博士，日本東京大學的Y. Uwatoko教授和T. Shibauchi教授研究組，美國密蘇里大學的D. J. Singh教授和清華大學的張廣銘教授。
[1] J. P. Sun, G. Z. Ye, P. Shahi, J.-Q. Yan, K. Matsuura, H. Kontani, G. M. Zhang, Q. Zhou, B.C. Sales, T. Shibauchi, Y. Uwatoko, D. J. Singh*, and J.-G. Cheng*; “High-Tc superconductivity in FeSe at high pressure: dominant hole carriers and enhanced spin fluctuations”; Physical Review Letters (2017) 118, 147004.
鏈接: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.118.147004
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圖1. FeSe單晶的溫度-壓力相圖和霍爾系數(shù)電子相圖 Ts：四方-正交結構相變(電子向列序Nematic)轉變溫度；Tm：長程磁有序轉變溫度；Tc：超導（SC）轉變溫度。 |
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| 圖2. FeSe單晶不同壓力、不同溫度下的霍爾電阻數(shù)據(jù)。 |
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| 圖3. FeSe單晶在不用壓力下的電阻率和霍爾系數(shù)隨溫度的變化關系。 |
