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堿金屬摻雜富勒烯超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)研究取得新進(jìn)展
清華大學(xué)楊樂仙副教授課題組利用角分辨光電子能譜技術(shù)（ARPES）對(duì)堿金屬摻雜的富勒烯超導(dǎo)薄膜的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)而詳盡的研究，厘清了體系中強(qiáng)烈的能帶重整化現(xiàn)象，推動(dòng)了對(duì)其超導(dǎo)機(jī)理的理解。該研究成果以“Evidence for BandRenormalizations in Strong-Coupling Superconducting Alkali-Fulleride Films”為題，于2023年5月26日在線發(fā)表于Physical ReviewLetters，130, 216004。
堿金屬摻雜的富勒烯體系在大分子超導(dǎo)體中具有最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。它表現(xiàn)出豐富的物相和非常規(guī)的超導(dǎo)行為，是研究多體相互作用和高溫超導(dǎo)機(jī)理的重要平臺(tái)。富勒烯超導(dǎo)體與銅基氧化物高溫超導(dǎo)體有著許多相似之處，包括穹頂狀的超導(dǎo)相圖、和超導(dǎo)相近鄰的磁性莫特絕緣相以及贗能隙態(tài)等。由于體系中存在復(fù)雜的電聲子耦合相互作用和強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，其超導(dǎo)機(jī)理存在較大爭(zhēng)議。研究堿金屬摻雜富勒烯體系的電子結(jié)構(gòu)和多體相互作用是理解其超導(dǎo)機(jī)理和相圖的關(guān)鍵。
研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的分子束外延-角分辨光電子能譜（MBE-ARPES）真空互聯(lián)系統(tǒng)，在外延雙層石墨烯襯底上，成功制備了高質(zhì)量的鉀摻雜富勒烯超導(dǎo)薄膜樣品，并解析了其電子結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的多體相互作用。研究團(tuán)隊(duì)在C60薄膜生長(zhǎng)過程中，觀察到了RHEED鏡面反射點(diǎn)強(qiáng)度隨生長(zhǎng)時(shí)間的振蕩行為，從而依據(jù)振蕩周期確定了薄膜的層厚。ARPES首次在超導(dǎo)K3C60薄膜中觀察到穿越費(fèi)米能級(jí)的能帶色散，占據(jù)帶寬約為130 meV。測(cè)量的能帶結(jié)構(gòu)顯示出明顯的準(zhǔn)粒子扭結(jié)和涉及Jahn-Teller活性聲子模式的復(fù)制能帶，這反映了體系中的強(qiáng)電子-聲子耦合。電子-聲子耦合常數(shù)估計(jì)約為1.2，它主導(dǎo)了準(zhǔn)粒子質(zhì)量重整化。此外，觀察到各向同性無節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙超出了平均場(chǎng)估計(jì)（2Δ/kBTc≈5）。大的電子-聲子耦合常數(shù)和大的減小超導(dǎo)能隙表明K3C60具有強(qiáng)耦合超導(dǎo)性，而電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)則是通過觀察到瀑布狀的能帶色散和與有效庫侖相互作用相比的小帶寬來說明。
該研究工作利用角分辨光電子能譜技術(shù)（ARPES）對(duì)堿金屬摻雜的富勒烯超導(dǎo)薄膜的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)而詳盡的研究，可視化了關(guān)鍵的能帶結(jié)構(gòu)，厘清了體系中強(qiáng)烈的能帶重整化現(xiàn)象，而且為富勒烯化合物異常超導(dǎo)性的機(jī)制提供了重要的見解。
