低温强磁场扫描隧道显微镜对强关联材料电子结构的研究

Investigating exotic quantum phases in strongly correlated systems and understanding their relations with the superconducting phase is a key question in extracting the mechanism of high Tc superconductors. In this project, we will use low-temperature and high magnetic field scanning tunneling microscopy (STM) to study the electronic structures of cuprates including Bi2212 and Bi2201. The techniques of scanning tunneling spectroscopy (STS) and quasi-particle scattering will be applied to obtain the local correlation between the superconducting phase, pseudo-gap phase, and other static electronic orders. Magnetic atoms will be evaporated on the surface of cuprates as defects. Their influence on the superconducting phase will be detected, from which we will extract the microscopic information of superconducting phases and the strong correlation properties. In addition, we will use the low-temperature STM to study heavy Fermion materials. For YbRh2Si2, we will change the magnetic field to realize different quantum phases of the Kondo lattice. We will measure the dependence of the quasi-particle STS on different quantum phases and study the tuning effect of the magnetic field on the Fano resonance peaks. Our research will be extended to other quasi two-dimensional heavy Fermion materials, such as URu2Si2 and CeCoIn5. We will focus on the effect of the localization strength of 4f/5f electrons to electronic density of states and different quantum phases.

探索高温超导等强关联材料中的奇异量子相，以及理解它们和超导相的相互关系是研究高温超导机理的一个核心问题。此项目将利用低温强磁场扫描隧道显微镜研究Bi2212和Bi2201等铜氧化物高温超导体的电子结构。我们将应用扫描隧道谱，准粒子散射等实验测量手段确定超导相与赝能隙及其它静态电子序的局域关联性；通过在铜氧化物表面蒸发可控杂质原子，特别是磁性杂质，研究其对超导的影响并从局域激发态推断材料的超导信息和强关联属性。 此外，我们将利用低温扫描隧道显微镜研究重费米子材料YbRh2Si2，通过磁场调节实现近藤晶格不同的量子相，测量相应的准粒子能谱行为随量子相的变化；同时探究磁场对近藤晶格Fano共振峰的调制作用。我们将进一步拓展到URu2Si2、CeCoIn5等其它准二维的重费米子材料；探索这三种材料元素的4f/5f电子不同的定域性强度对电子态密度能谱行为和相应量子相的影响。

利用低温扫描隧道显微镜，本项目主要研究了铜氧化物高温超导材料（Bi2201和Bi2212）中的电子结构，特别是列向序，电荷序等丰富的量子相，同时还研究了铁基超导材料（FeSe）和拓扑相关体系（ZrSiSe）的电子结构和能带特征。主要内容包括1）在过掺杂Bi2201样品中发现了电子列向序，并详细研究了列向序随能量的变化和实空间分布演化。该研究成果发表在Scientific Reports 7，8059 （2017）。2）研究了Bi2201材料中的电荷序及其拓扑缺陷随能量的变化，直接观测到了成对拓扑缺陷的产生和湮灭过程。3）对最佳掺杂和过掺杂Bi2201铜氧化物材料进行了掺杂氧原子研究，发现两种材料中的掺杂氧原子都以SrO层氧掺杂为主，并且氧掺杂空间分布和不均匀的赝能隙有负相关的关联性。氧掺杂计算和准粒子散射费米面计算得到的载流子浓度结果进行了对比。4）对两种最佳掺杂的Bi系铜氧化物超导体Bi2212和Bi2201，研究了其超结构的量化度量，得出后者有更强的晶格畸变和应力，并研究了该应力对电子结构能谱的调制作用，得到了两种不同的调制形式。5）发现了FeSe超导材料中的本征列向序，并研究了该量子相在不同温度的演化和相图，提出其自旋涨落成因。6）研究了节线半金属ZrSiSe的随偏压极性变化的扫描形貌图，得到源于格点不均匀电子能谱的两套格子，从而得到对称性信息。进一步的利用杂质准粒子散射得到体系能带信息和拓扑节线的能量位置和狄拉克点的位置。