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西安交大在高温超导材料超导机理研究方面取得重要进展

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当一些物质的温度降低到某个温度之下,其电阻将降低到零,电子在其中的传导不会发生耗散,这样的现象被称为超导。超导材料有许多潜在的应用,例如它们有可能解决人类的能源危机问题。一般的超导材料其超导转变温度都很低,例如常规超导体的超导转变温度低于25K,从而大大限制了其实际应用范围。对于具有更高超导转变温度材料的寻找一直都是物理学中最热门的方向。以铜氧化合物超导体和铁基材料超导体为代表,因为其超导转变温度相对较高被称作高温超导体。然而到现在为止对高温超导体的超导机理依然没有一个公认的理论解释,这是现代物理学所面临的最大挑战之一。

西安交通大学理学院的张朋教授与美国耶鲁大学应用物理系的S. Ismail-beigi研究团队,以及美国罗格斯大学物理系的K. Haule研究团队合作,研究了一种新型的铁基高温超导材料FeSe/SrTiO3。在常压下铁基超导体FeSe其块材超导温度只有8K。然而2012年清华大学的薛其坤小组发现生长在SrTiO3表面的单层FeSe薄膜其超导温度可以达到65-100K,远远高于FeSe块材的超导温度。这带来了两个相互关联的问题:一是单层FeSe在SrTiO3界面上的原子是如何排布的?二是这样的原子排布是如何同FeSe/SrTiO3材料中超导温度的激增相联系的?针对这两个问题,张朋教授与其合作者采取数值模拟的方法给出了生长在SrTiO3上的单层FeSe在其交界处准确的原子位置排布,以此原子排布结构为基础得到的电子能谱与实验的测量结果相一致。这项工作明确了FeSe/SrTiO3材料的晶体结构,并进一步指出了电子之间的关联强弱,以及与之相关的超导转变温度,由材料中的Se-Fe-Se键夹角决定。这项工作对进一步研究FeSe/SrTiO3材料的其他性质,以及寻找和设计具有类似晶体结构的高温超导材料提供了理论基础。

该研究成果近期发表在国际物理学研究领域顶级期刊Physical Review Letters(Phys. Rev. Lett. 119, 067004 (2017), 文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.067004,期刊2016年影响因子为8.462)。西安交通大学理学院的张朋教授为唯一通讯作者,西安交通大学理学院物理系为唯一通讯单位。张朋教授在2015年加入西安交通大学理学院物理系,主要研究方向为对强关联材料的数值模拟,材料在极端条件下的性质,以及开发新的数值模拟方法。


2017-09-03
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