上海光源用户揭示重费米子超导体CeCu2Si2中的重准粒子

CeCu₂Si₂是第一个重费米子超导体，也是公认的第一个非常规超导体，在超导研究的历史中扮演着重要的角色。它在1979年由德国科学家Frank Steglich教授（现为浙江大学关联物质中心主任）发现。一直以来，人们对CeCu₂Si₂的强关联物理性质、尤其是其重费米子超导电性保持着极大的兴趣。CeCu₂Si₂的超导来源于导带电子与电子杂化形成的有效质量很大的准粒子，这种很大有效质量的准粒子配对形成的超导难以用常规的BCS理论（即电声子耦合机制）解释。此前一般认为其超导序参量为波，并且可能来自于磁性量子临界点附近的量子涨落。然而最近又有，等新的超导配对模型被相继提出，目前人们关于CeCu₂Si₂的超导序参量对称性仍有争议。而由于CeCu₂Si₂样品非常难以解理，直接的动量分辨的能带信息（特别是有效质量很大的准粒子色散）依然缺失，准确得到其动量分辨的费米面对于理解其超导序参量对称性以及其重费米子行为具有重要的意义。

浙江大学物理学系/关联物质研究中心的刘洋课题组，联合浙江大学Frank Steglich教授、袁辉球教授、杭州师范大学曹超教授等，利用上海光源BL03U高分辨ARPES线站和BL09U梦之线等，在CeCu₂Si₂的电子结构研究中取得突破。他们克服了实验技术上存在的一些困难，通过角分辨光电子能谱(ARPES)系统地测量了CeCu₂Si₂动量分辨的电子结构，从实验上确定了CeCu₂Si₂的多能带费米面，并且确定了电子在其中起到的重要作用。研究发现导带电子与电子具有很强的杂化现象，并且这种杂化具备动量依赖性，从而导致费米面附近的准粒子态具有较大的有效质量差异。在CeCu₂Si₂动量空间的点处他们揭示了被电子权重占据的重电子费米面，此结构很有可能会主导CeCu₂Si₂的重费米子超导电性，测量还表明费米面附近还同时存在有效质量较低的准粒子，这些准粒子态也可能对体系的多能带超导产生影响，其中它们同源的电子权重或为带内和带间散射甚至超导电子配对提供可能。该项工作对CeCu₂Si₂的整体电子结构进行了直接的表征，这些结果将给予后续相关的理论和计算以重要的实验支持。

相关成果于2021年8月在线发表于《物理评论快报》：Phys. Rev. Lett. 127, 067002 (2021)。论文被选为当期《物理评论快报》的封面。

这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划的支持。部分测量也在瑞典MAX IV光源的BLOCH线站完成。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.067002

图1: (a) CeCu₂Si₂的晶体结构和动量空间中的第一布里渊区及其二维投影；(b) CeCu₂Si₂在135eV光子能量下测得的费米面结构；(b) CeCu₂Si₂沿-高对称方向的能带色散；(d) 132eV光子能量下测量的点处的重费米子能带，能谱经过了除以RC-FDD(resolution-convoluted Fermi-Dirac distribution，能量分辨率对费米狄拉克分布函数卷积)的处理；(e) 图(d)重电子能带范围的EDC(energy distribution curve)，谱强度的能量分布曲线簇