利用拉曼散射及橢圓光度法研究高溫超導材料磁激發信号随摻雜濃度的變化

beat365、量子材料科學中心李源研究員及其合作者利用拉曼散射及橢圓光度法在高溫超導材料HgBa2CuO4+d中系統地研究了磁激發信号随摻雜濃度的變化。該實驗結果對“以磁激發為媒介的超導配對機理”的研究具有重要的指導意義。成果發表在11月第一期的“物理評論快報”[Y. Li et al., Physical Review Letters 111, 187001 (2013)]上。

與用BCS理論所解釋的傳統超導體不同，銅氧高溫超導材料中的電子不再是以聲子作為媒介形成庫珀對，而被廣泛地認為是在磁激發，也就是自旋擾動的作用下實現配對。對于這一可能的超導機理，不同實驗測量手段卻得到了相互矛盾的結果。近年來取得重大技術突破的共振非彈性X射線散射(RIXS)的測量結果表明，與磁激發有關的信号在幾乎所有的摻雜濃度範圍内都很強；但早先的拉曼散射以及中子散射卻指出該類信号在高摻雜濃度區間大幅度衰減。而在高摻雜濃度是否存在足夠強的磁激發對解釋銅氧高溫超導材料中的電子配對機制而言是至關重要的。

在該項工作中，實驗者采用拉曼散射，并輔助以橢圓光度法，系統地研究了與磁激發有關的信号随摻雜濃度的變化情況以及導緻這一變化的内在原因。拉曼散射實驗采用非彈性光散射的方法可直接測量到與磁激發有關的信号，而涉及共振的拉曼散射與材料的光吸收和光發射過程密切相關，所以在此項工作中輔助以橢圓光度法用來表征材料對光的響應特性。實驗結果表明，與磁激發相關的拉曼信号在高摻雜濃度區域的減弱是由于對共振條件的偏離。實際上，通過選擇與低摻雜濃度區間不同頻率的入射光，依然可以在高摻雜濃度區間達到共振條件并觀測到與低摻雜濃度區間可比拟的磁激發信号（圖1）。

該項研究很好地給出了前人共振非彈性X射線散射與拉曼散射的實驗結果相矛盾的原因，并進一步證實了“以磁激發為媒介的超導配對機理”的合理性。

該項研究在國内完成部分受到了beat365“985”計劃的資助。項目組成員陳露同學（本科2010級）還受到了beat365“校長基金”的資助。