物理所等提出新的重費米子超導機理

在重費米子超導體中，正常態重電子的有效質量可以達到自由電子質量的上百倍，其特徵費米能量也相應削減，只有meV的量級。1979年，德國科學家Frank Steglich等人首先在CeCu2Si2中發現了重費米子超導，其超導轉變溫度約為0.6 K，為重電子費米能的5%，遠大於一般的元素超導體，堪稱「高溫超導體」。同時其德拜溫度又遠大於重電子費米能，無法用傳統的BCS超導理論解釋，需要新的超導機理。這一發現開創了非常規超導的研究領域，奠定了重費米子超導的歷史地位。過去40年間，重費米子超導家族日益增長，目前已發現有40餘種材料可在常壓或壓力下超導［物理學報 64, 217401 (2015)］。與其他非常規超導體系相比，重費米子超導體呈現出更加多樣的競爭序，豐富了非常規超導的研究。

CeCu2Si2超導的發現不僅僅具有開創的意義，還確立了以磁性量子臨界漲落為配對膠水，誘導重電子發生d波配對的基本理論圖像，成為描述重費米子超導的標準範式之一。這一圖像也得到了中子散射、核磁共振、轉角比熱等眾多實驗支持，30多年來似乎已成定論。但是在2014年，故事突然發生了翻轉。日本科學家在更高質量的CeCu2Si2單晶樣品中做了更精細的比熱測量，發現當溫度低至60 mK時，比熱係數呈現指數的溫度依賴關係，並且隨磁場線性增加，數據擬合表明超導應具有兩個無節點能隙，而非先前以為的有節點d波能隙。隨後的穿透深度、轉角比熱等實驗也都支持無節點兩能隙的結論。同時考慮到多帶效應，最新分析表明無節點兩能隙s±配對也能解釋核磁共振等先前以為支持d波的實驗數據。

這些新的實驗結果否定了傳統的單帶d波配對的簡化圖像，表明多個費米面的存在對超導配對具有重要的影響。但是基於第一性原理和隨機相或微擾近似的計算只能得到d波或具有環形節點的s波解，與實驗不符。為了解決這一問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX9組研究員楊義峰指導博士研究生李宇與劉敏（聯合培養）對CeCu2Si2超導配對及其能帶結構進行了深入分析。他們同時考慮了體系中的電子和空穴型費米面，發現當兩個費米面之間存在較強的庫珀對散射時，可以得到無節點的s±波解，其能隙比值也與實驗相符，首次為解釋實驗提供了可能的理論基礎。新理論還認為先前計算所得到的d波和環形節點s波解分別來自於電子和空穴型費米面本身，在壓力下，電子型費米面消失，超導會從無節點s±波過渡到僅由空穴費米面誘導的有節點s波配對，從而解釋高壓下觀測到的新超導相。這一結果表明在實際重費米子材料中，多個費米面的存在和費米面之間的對散射會導致完全不同於傳統單帶圖像的全新結果；而是否存在較強的面間對散射，則很大程度上依賴於每個費米面的軌道特徵，以及與之相關的軌道漲落。現有第一性原理計算過高估計了電子型費米面的嵌套和由此導致的d波超導解，未來需要更好地處理強關聯效應對費米面和配對作用（即量子臨界漲落）的影響。

以上分析意味著有必要重新認識實際重費米子材料中的超導配對及其形成機制，並對現有重費米子超導理論進行全面梳理。相關工作發表於《物理評論快報》［Phys. Rev. Lett. 120, 217001 (2018)］，合作者為北京理工大學教授楊帆、河南師範大學副教授付召明和四川大學教授陳向榮。該研究得到了科技部（2017YFA0303103、2015CB921303）、國家自然科學基金委（11522435、11174339）、中科院先導（XDB07020200）與青促會基金項目的支持。

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圖1：(a) 常壓下CeCu2Si2電子和空穴型費米面; (b) 帶內和帶間對散射的示意圖。

圖2：三類超導解的能隙結構及其角度依賴性。

圖3：常壓下CeCu2Si2超導的理論相圖，強帶間散射可以導致無節點s±波解，圖中d波區間的範圍被高估。

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