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交大学者与合作者在重费米子超导电子结构研究中取得重要进展

目前已知的大部分超导体的晶体结构存在对称中心,满足空间反演对称性,其超导电子配对波函数只能是偶宇称的自旋单态或奇宇称的自旋三重态中的一种。少部分超导体缺乏反演对称中心,其非对称晶体势场产生反对称的自旋轨道耦合,使自旋简并的能级发生劈裂,从而形成自旋单态与三重态的混合。2012年,理论物理学家提出了一种结合上述两种超导特征、从而实现超导配对波函数宇称转变的模型[1],即对于一个全局保持空间反演对称性的层间弱耦合系统,具有局域反演对称性破缺的上下层晶格通过产生符号相反的Rashba自旋轨道耦合不仅可以满足整体的空间反演对称性同时引起自旋单态和三重态的混合。由于两种超导配对态对磁场的响应不同:自旋单态更容易被磁场抑制,因此在磁场下可以发生超导配对从自旋单重态到自旋三重态的相变的奇异现象。

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图 CeRh2As2 H-T 相图。i, CeRh2As2的晶体结构。ii, 双层 Rashba-Hubbard 模型示意图。iii, 4f电子在费米能级附近巨大的态密度(左图),基于周期性安德森模型的4f电子与导带杂化示意图(右图)。iv, 能带嵌套示意图。

2021年,S.Khim等人在铈基重费米材料CeRh2As2中发现了上述磁场诱导超导配对宇称转变现象[2],同时伴随重费米子效应、四极矩密度波[3],反铁磁序[4]等丰富的物性(图1)。相比于具有类似晶体结构但不具备如此相图的其他材料(如LaRh2As2),CeRh2As2的局域对称性破缺的晶体结构和f电子对于上述新奇物性起着至关重要的作用[5]。费米能附近的电子结构是理解材料物性和机理的关键因素,然而CeRh2As2的电子结构信息一直都缺乏。

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图2 CeRh2As24f电子平带与VHS杂化示意图

近期,中国科学院上海高研院的黄耀波研究员、乐鱼kb体育李政道研究所&物理与天文学院&张江高等研究院吕佰晴副教授、南方科技大学王乐博士、日本京都大学Yanase教授团队合作,指导上海应物所&李政道研究所联合培养博士生陈学智、中国科学院物理研究所&李政道研究所联合培养博士生张任杰、日本新潟大学Jun Ishizuka博士,利用上海光源“梦之线”和BL03U的角分辨光电子能谱(ARPES),结合密度泛函理论计算对CeRh2As2进行了系统性的电子结构研究。他们通过软X射线ARPES成功解析了CeRh2As2的三维能带结构,发现体态电子结构的准二维特性和费米面附近的来源于 f 电子的平带(图 2),同时在布里渊区X点观察到受到晶体对称性保护的四重简并的范霍夫奇点(即带结构中的极值或鞍点)。更重要的,该研究首次在重费米子材料中观察到费米能附近范霍夫奇点(VHS)与 f 电子平带的共存现象。在关联电子材料中,这VHS和 f 电子平带在推动超导以及其他共存或竞争序中扮演着至关重要的角色,但之前人们尚未在单一材料体系中的费米能级附近观测到两者共存。在CeRh2As2中同时存在两种电子结构特征增强了材料电子相关性,并可能是其新奇两相超导性的原因。

该工作不仅为理解CeRh2As2中多重超导相、重费米子效应和电四极矩电荷密度波等新奇物性提供了关键谱学证据,也为研究范霍夫奇点与平带这两种关联电子结构的杂化新物理提供了思路。相关成果近期发表在【Physical Review X 14, 021048 (2024)】上,陈学智,王乐,Jun Ishizuka和张任杰为共同一作,黄耀波、吕佰晴、Yanase为通讯作者,该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市等项目支持。

论文连接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021048

Refences:

[1] Physical review B 86, 134514 (2012).

[2] Science 373, 1012-1016 (2021).

[3] Physical review X 12, 011023 (2022).

[4] Physical review letters 128, 057002 (2022).

[5] Physical review B 106, 014506 (2022).

叶丹
物理与天文学院
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