高温超导体的超导机理和奇异正常态的角分辨光电子能谱研究

We propose to systematically investigate the superconductivity mechanism and anomalous normal state properties of high temperature superconductors using our self-developed VUV-laser-based angle-resolved photoemission (ARPES) system. We will focus on three aspects: (1). Evolution of electronic structure with doping, particularly the nature of Fermi pocket and quantum critical points; (2). Origin of pseudogap and its relationship with the superconducting gap; (3). The superconducting electron pairing mechanism. Our advanced ARPES systems are state-of-the-art, possessing unique performance such as super-high instruemntal resolution and superior precision. Under the previous support of NSFC, we have made big progress in the study, laying a solid foundation in instrumentation, people and experience accumulation. Particularly we have formed our own research directions and unique features. we have built good collaboration with top groups, domestic and abroad in growing high quality samples and in theory and computation. The topics we have chosen represent key issues in superconductivity research; they also present daunting and mountain-climbing chanllenges. We believe, through the present research plan, using the exceptional advantages we have to carry out investigations on these critical issues, we will provide decisive information in understanbding the superconductivity mechanism and anomalous normal state properties of high temperature superconductors. We will strive to achieve breakthroughs.

我们提议采用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱系统,对高温超导体的超导机理和奇异正常态性质开展系统和深入的研究。主要聚焦在三个重要方面, 1).电子结构随掺杂的演变规律,着重研究费米口袋以及量子临界点问题；2).赝能隙的本质以及超导能隙与赝能隙的关系；3).超导电子配对的机理。 我们研制的尖端光电子能谱系统性能国际领先，具有超高分辨率和超高精度的独特优势。 在基金委前期的资助下，我们已取得了重要进展，在设备、人才和经验积累等方面打下了坚实的基础，逐渐凝聚了自己的研究方向和特色。我们已经建立了和国际国内顶尖研究组在高质量样品和理论方面的合作。我们选择的课题既是高温超导研究中的核心问题，也是极具有挑战性的攻坚课题。通过本研究计划，我们将充分利用我们拥有的得天独厚的有利条件，针对这几方面关键性的问题开展研究，为理解高温超导机理和正常态的奇异性质提供具有决定性意义的信息，力争取得突破。

探索新的超导材料、提高超导转变温度、理解超导的微观机理、推进超导的规模化应用等，一直是超导科学研究的国际前沿课题。其中，深入理解非常规超导电性的微观机理是探索新材料的前提和基础，其对传统凝聚态物理理论提出了重大挑战，将催生凝聚态物理领域的重大突破。该项目的主要内容是采用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱系统,对高温超导体的超导机理和奇异正常态性质开展系统和深入的研究。项目主要聚焦在三个重要方面, 1).电子结构随掺杂的演变规律,着重研究费米口袋以及量子临界点问题；2).赝能隙的本质以及超导能隙与赝能隙的关系；3).超导电子配对的机理。截至项目结题，取得的主要成果有：.1. 给出了FeSe基高温超导体的电子结构和超导能隙的结构，以及随掺杂的演变规律。研究了单层FeSe薄膜的结构与电子结构，发现了N相和超导相共存和演变的规律，以及与超导-绝缘体相变的关系。通过单层和多层FeSe/SrTiO3薄膜的对比研究，揭示了两者超导电性差异的起源。. 2. 发现FeSe块材超导体的各向异性能隙，可能为p-wave配对函数，为了理解铁基超导体中的向列相和非常规超导机理提供了启示。 .3. 利用激光ARPES超高能量分辨率的优势，解析出铜氧化物高温超导体的配对相互作用谱函数。. 项目组共发表SCI论文20篇，其中Nature Materials 1篇，Nature Commun. 2篇, Science Advances 1篇，PNAS 1篇，ROPP 综述一篇，PRL和PRX各1篇。培养博士研究生10名，博士后1名。