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超导体|进展 | FeSe超导体向列相光电子能谱的精密观测揭示存在未知对称破缺的证据

FeSe 超导体具有简单的晶体结构 ， 在低温下不具有反铁磁长程序, 但在90K以下进入向列序态 ， 在超导温度（Tc）9K以下呈现出超导和向列序共存的状态 。 因此 ， FeSe超导体是研究铁基超导体中向列相相关物理以及超导机理的理想体系 。 FeSe的众多衍生物 ， 如插层FeSe、KxFe2-ySe2、 (Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3等 ， 表现出丰富的物理特性及高超导转变温度 ， 其中单层FeSe/SrTiO3的超导转变温度可能在65K以上 。 对FeSe超导体本征电子结构的研究 ， 不仅对理解其物理性质和超导机理至关重要 ， 而且是研究其它衍生物的基础 。 十多年来 ， 对FeSe超导体的电子结构已经进行了大量的研究 。 迄今为止 ， 理论和实验研究者都普遍认为 ， FeSe超导体在向列序态 ， 布里渊区中心附近只存在一个空穴型费米面 。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室周兴江研究组的李聪、赵林副研究员等 ， 与物理所吴贤新博士、王乐博士、石友国研究员、胡江平研究员和向涛院士等合作 ， 利用最新一代基于时间飞行能量分析器的激光角分辨光电子能谱仪 ， 结合理论计算 ， 发现了FeSe超导体全新的费米面结构 ， 揭示了FeSe 中存在向列序之外未知对称破缺的证据 。
利用新一代激光光电子能谱的高分辨率和动量空间一次面探测的优势 ， 结合采用不同偏振的激光对轨道的选择性 ， 他们在FeSe超导体中首次在布里渊区中心附近直接观察到两个空穴型费米面结构 ， 内圈费米面主要由dxz轨道组成 ， 而外圈费米面则由dxz轨道和dyz轨道组成（图1） 。 对能带结构的测量发现 ， 在布里渊区中心的三支能带都表现出能带劈裂（图2） 。 进一步理论分析表明 ， 如果只考虑向列序和轨道杂化 ， 不可能产生实验观察到的双费米面结构和相应的能带劈裂现象 。 这些结果表明 ， FeSe超导体中存在向列序之外的新的有序态 ， 这种隐藏序通过破缺空间反演或时间反演对称性 ， 消除自旋简并 ， 来实现观察到的双费米面结构及能带劈裂(图3） 。
向列序下 FeSe 超导体全新费米面结构和能带劈裂的发现 ， 要求重新检查之前与 FeSe 相关的理论和实验结果 ， 为研究FeSe超导体的物性和超导机理提供了新的关键信息 ， 进一步促进对向列序下 FeSe 超导体中隐藏序起源的相关研究 。 相关研究结果发表在近期的Physical Review X上 ， Cong Li et al. ，Spectroscopic Evidence for an Additional Symmetry Breaking in the Nematic State of FeSe Superconductor, Phys. Rev. X 10, 031033 (2020).
上述研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院等的资助 。
文章链接：
https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.10.031033
超导体|进展 | FeSe超导体向列相光电子能谱的精密观测揭示存在未知对称破缺的证据
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【超导体|进展 | FeSe超导体向列相光电子能谱的精密观测揭示存在未知对称破缺的证据】图1. 单畴 FeSe 在布里渊区中心双空穴费米面结构的发现
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图2. 单畴 FeSe 沿高对称方向的能带劈裂及其轨道属性
超导体|进展 | FeSe超导体向列相光电子能谱的精密观测揭示存在未知对称破缺的证据
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图3. 考虑空间反演或时间反演对称性破缺计算的 FeSe 费米面和能带结构及其与实验测量结果的对比
编辑：小林绿子


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