利用拉曼散射及椭圆光度法研究高温超导材料磁激发信号随掺杂浓度的变化

6163银河线路检测中心、量子材料科学中心李源研究员及其合作者利用拉曼散射及椭圆光度法在高温超导材料HgBa2CuO4+d中系统地研究了磁激发信号随掺杂浓度的变化。该实验结果对“以磁激发为媒介的超导配对机理”的研究具有重要的指导意义。成果发表在11月第一期的“物理评论快报”[Y. Li et al., Physical Review Letters 111, 187001 (2013)]上。

与用BCS理论所解释的传统超导体不同，铜氧高温超导材料中的电子不再是以声子作为媒介形成库珀对，而被广泛地认为是在磁激发，也就是自旋扰动的作用下实现配对。对于这一可能的超导机理，不同实验测量手段却得到了相互矛盾的结果。近年来取得重大技术突破的共振非弹性X射线散射(RIXS)的测量结果表明，与磁激发有关的信号在几乎所有的掺杂浓度范围内都很强；但早先的拉曼散射以及中子散射却指出该类信号在高掺杂浓度区间大幅度衰减。而在高掺杂浓度是否存在足够强的磁激发对解释铜氧高温超导材料中的电子配对机制而言是至关重要的。

在该项工作中，实验者采用拉曼散射，并辅助以椭圆光度法，系统地研究了与磁激发有关的信号随掺杂浓度的变化情况以及导致这一变化的内在原因。拉曼散射实验采用非弹性光散射的方法可直接测量到与磁激发有关的信号，而涉及共振的拉曼散射与材料的光吸收和光发射过程密切相关，所以在此项工作中辅助以椭圆光度法用来表征材料对光的响应特性。实验结果表明，与磁激发相关的拉曼信号在高掺杂浓度区域的减弱是由于对共振条件的偏离。实际上，通过选择与低掺杂浓度区间不同频率的入射光，依然可以在高掺杂浓度区间达到共振条件并观测到与低掺杂浓度区间可比拟的磁激发信号（图1）。

该项研究很好地给出了前人共振非弹性X射线散射与拉曼散射的实验结果相矛盾的原因，并进一步证实了“以磁激发为媒介的超导配对机理”的合理性。

该项研究在国内完成部分受到了6163银河线路检测中心“985”计划的资助。项目组成员陈露同学（本科2010级）还受到了6163银河线路检测中心“校长基金”的资助。