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固體所在電子摻雜鐵硒超導材料電子關聯研究方面取得新進展
文章來源: 劉大勇、賈世慶 發布時間: 2019-01-31

  近期,固體所劉大勇副研究員、鄒良劍研究員與中國科學技術大學國家同步輻射實驗室孫喆教授、南開大學盧峰副教授和王維華教授合作,在插層鐵硒超導材料(Li1-xFex)OHFeSe電子關聯研究方面取得新進展發現這類體系的電子結構存在電子關聯驅動的Lifshitz轉變機制,并提出電子摻雜的(Li0.8Fe0.2)OHFeSe體系具有完全不同于FeSe材料的超導電子態。相關成果以“Correlation-driven Lifshitz transition in electron-doped iron selenides (Li,Fe)OHFeSe”為題發表在Phys. Rev. B (Phys. Rev. B 98, 195137 (2018)) 雜志上。 

  高溫超導體(主要包括銅基和鐵基超導體)由于其誘人的應用前景一直都是凝聚態物理研究的前沿領域。近年來,鐵基超導材料中的鐵硒基化合物也因其較高的超導轉變溫度(Tc)引起人們極大的興趣。然而,盡管鐵硒基超導體系在實驗和理論上已經被廣泛研究,其高溫超導機制卻仍處于爭論當中。特別是鐵基超導體系普遍具有的多軌道特征和關聯金屬行為,不同于常規金屬和摻雜Mott絕緣體,阻礙了對其超導機制的理解。探索影響其高超導轉變溫度關鍵因素的第一步就是關聯電子結構的研究。鐵硒超導材料(Li1-xFex)OHFeSe由于其特殊的僅具有電子費米口袋(空穴費米口袋缺失)的電子結構成為鐵基超導材料的重要研究對象,其研究對理解鐵基超導體系的超導配對和高Tc機制具有重要意義。 

  鐵硒化合物(Li1-xFex)OHFeSe (x~0.2)具有約40 K以上的較高超導轉變溫度,遠遠高于Tc ~ 8 K的純FeSe體系。同時,理論和實驗工作發現該材料(Li1-xFex)OH層有助于FeSe層的電子摻雜,因此可以作為研究重電子摻雜鐵硒衍生超導體的參考材料。然而,目前不同的實驗和理論計算仍存在不符之處。其中一個令人困惑的問題就是在(Li0.8Fe0.2)OHFeSe角分辨光電子能譜(ARPES)和掃描隧道顯微鏡(STM)實驗中觀察到布里淵區的Γ點附近有一個微小的電子費米口袋,但在密度泛函理論(DFT)計算中卻是兩個較大的空穴費米口袋。此外,由于費米面嵌套在理解超導配對機制中起著重要作用,進一步的研究需要確定(Li1-xFex) OHFeSe體系考慮電子關聯情況下的費米面拓撲結構。 

  針對電子摻雜鐵硒體系(Li,Fe)OHFeSe中ARPES、STM實驗與DFT計算的電子結構不一致問題,在前期工作(New J. Phys. 19, 023028 (2017))的基礎上,研究人員采用能精確處理電子關聯的DFT結合動力學平均場(DMFT)的DFT+DMFT計算方法,利用連續時間量子蒙特卡洛(CT-QMC)雜質求解器,研究了體系電子關聯和自旋軌道耦合對體系電子結構的影響。結果發現在電子摻雜的(Li0.8Fe0.2)OHFeSe體系中,電子關聯基本上改變了費米面的拓撲性,導致在布里淵區中心Γ點和邊角M點附近分別出現一個非常小的和兩個大的電子費米口袋(圖(右))。而且自旋軌道耦合也會對費米能級附近的低能電子結構產生一定的影響,特別是Γ點附近的狄拉克(Dirac)色散處打開一個很小的能隙(圖(左))。結果表明從純FeSe到電子摻雜的(Li0.8Fe0.2)OHFeSe體系,費米面拓撲性的變化是電子關聯驅動的Lifshitz轉變,并導致體系的磁波矢從(π, 0) 轉變到(π, 0.5π ± δ),同時伴隨著dxy和dxz/dyz軌道之間的軌道重構。以上結果與ARPES等實驗非常符合,同時也表明了體系關聯情況下的多體特征,例如多體的自能,相干譜權重,以及有效質量的重整化等。最后,進一步的計算得到了與實驗趨勢一致的光電導行為。綜上所述,這些結果解決了DFT計算和實驗結果之間的矛盾,表明電子摻雜的鐵硒體系具有電子關聯驅動的電子結構和布里淵區中心空穴費米口袋缺失的奇異費米面拓撲性,有助于理解鐵基超導材料的超導電性。 

  上述研究成果得到了國家自然科學基金面上項目和中國科學院重點研究項目的資助。數值計算在中科院合肥物質科學研究院計算中心以及中科院超級計算網格完成 

  【文章鏈接地址】https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.98.195137 

   

  圖. (Li1-xFex)OHFeSe動量分辨的譜函數(DFT + DMFT結果),左(右)圖結果不包括(包括)自旋-軌道耦合 

 

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