科学家提出新的重费米子超导机理

2018 年 6 月 3 日 中科院之声

在重费米子超导体中，正常态重电子的有效质量可以达到自由电子质量的上百倍，其特征费米能量也相应削减，只有 meV 的量级。1979年，德国科学家 Frank Steglich 等人首先在 CeCu₂Si₂中发现了重费米子超导，其超导转变温度约为0.6 K ，为重电子费米能的5%，远大于一般的元素超导体，堪称“高温超导体”。同时其德拜温度又远大于重电子费米能，无法用传统的 BCS 超导理论解释，需要新的超导机理。这一发现开创了非常规超导的研究领域，奠定了重费米子超导的历史地位。过去40年间，重费米子超导家族日益增长，目前已发现有40余种材料可在常压或压力下超导［物理学报 64, 217401 (2015)］。与其他非常规超导体系相比，重费米子超导体呈现出更加多样的竞争序，丰富了非常规超导的研究。

CeCu₂Si₂超导的发现不仅仅具有开创的意义，还确立了以磁性量子临界涨落为配对胶水，诱导重电子发生 d 波配对的基本理论图像，成为描述重费米子超导的标准范式之一。这一图像也得到了中子散射、核磁共振、转角比热等众多实验支持，30多年来似乎已成定论。但是在2014年，故事突然发生了翻转。日本科学家在更高质量的 CeCu₂Si₂单晶样品中做了更精细的比热测量，发现当温度低至60 mK 时，比热系数呈现指数的温度依赖关系，并且随磁场线性增加，数据拟合表明超导应具有两个无节点能隙，而非先前以为的有节点 d 波能隙。随后的穿透深度、转角比热等实验也都支持无节点两能隙的结论。同时考虑到多带效应，最新分析表明无节点两能隙 s^±配对也能解释核磁共振等先前以为支持 d 波的实验数据。

这些新的实验结果否定了传统的单带d波配对的简化图像，表明多个费米面的存在对超导配对具有重要的影响。但是基于第一性原理和随机相或微扰近似的计算只能得到 d 波或具有环形节点的s波解，与实验不符。为了解决这一问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室 EX9 组研究员杨义峰指导博士研究生李宇与刘敏（联合培养）对 CeCu₂Si₂超导配对及其能带结构进行了深入分析。他们同时考虑了体系中的电子和空穴型费米面，发现当两个费米面之间存在较强的库珀对散射时，可以得到无节点的 s^±波解，其能隙比值也与实验相符，首次为解释实验提供了可能的理论基础。新理论还认为先前计算所得到的 d 波和环形节点 s 波解分别来自于电子和空穴型费米面本身，在压力下，电子型费米面消失，超导会从无节点 s^±波过渡到仅由空穴费米面诱导的有节点 s 波配对，从而解释高压下观测到的新超导相。这一结果表明在实际重费米子材料中，多个费米面的存在和费米面之间的对散射会导致完全不同于传统单带图像的全新结果；而是否存在较强的面间对散射，则很大程度上依赖于每个费米面的轨道特征，以及与之相关的轨道涨落。现有第一性原理计算过高估计了电子型费米面的嵌套和由此导致的d波超导解，未来需要更好地处理强关联效应对费米面和配对作用（即量子临界涨落）的影响。

以上分析意味着有必要重新认识实际重费米子材料中的超导配对及其形成机制，并对现有重费米子超导理论进行全面梳理。相关工作发表于《物理评论快报》［Phys. Rev. Lett. 120, 217001 (2018)］，合作者为北京理工大学教授杨帆、河南师范大学副教授付召明和四川大学教授陈向荣。该研究得到了科技部（2017YFA0303103、2015CB921303）、国家自然科学基金委（11522435、11174339）、中科院先导（XDB07020200）与青促会基金项目的支持。