传统的金属具有大量的传导电子，它们以波的形式弥散于整个晶体中。在理想情况下，可以认为，其中的波与波之间没有相互作用，而电子的量子态可以用波矢k（正比于电子动量）来表征。电子降低自身能量的倾向以及Pauli不相容原理，使得在k空间只有能量小于Fermi能级的位置被占据。

[转载]高温超导体中电子角色在实空间和抽象空间之间的转换

已有 995 次阅读 2011-11-17 16:08 |系统分类:科研笔记|关键词:空间 电子 office center 超导体

高温超导体中电子角色在实空间和抽象空间之间的转换

 

在某些铜氧化合物中，当局域于晶格原子的电子成为可移动，材料便显现出超导电性。上述过程所涉及的是电子角色在实空间（r-空间）和抽象空间（动量空间，k-空间）之间的转换。

最近，来自美国康奈尔大学的Y. Kohsaka等，采用新发展的r-空间和k-空间同时成像的电子显微技术，研究了高温超导体 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ 的电子结构。他们发现，当以减少电荷载流子密度的方式逼近材料的绝缘态（Mott绝缘态），在k-空间退局域的Cooper对减少到零，它们被在r-空间对称（平移和旋转）破缺的局域（电子或孔穴）赝能隙态所取代。

 

传统的金属具有大量的传导电子，它们以波的形式弥散于整个晶体中。在理想情况下，可以认为，其中的波与波之间没有相互作用，而电子的量子态可以用波矢k（正比于电子动量）来表征。电子降低自身能量的倾向以及Pauli不相容原理，使得在k空间只有能量小于Fermi能级的位置被占据。

 

在超导金属中，上述理想状况被破坏，在 Fermi面上两个动量刚好相反的电子得以配成Cooper对，以至于宏观数量的Cooper对可以凝结到单一量子态 — 发生超导。因此，超导现象可以仅仅借助于动量空间来理解。然而，在铜氧化合物中，电子间的库仑排斥作用相当强，有时足以使电子局域于一个个原子格点，形成所谓 Mott绝缘体，这导致不可能仅从动量空间的角度理解高温超导体。为弄清机制，曾进行了大量实验，这包括：角分辨光发射谱，扫描隧道显微镜/扫描隧道谱。不过，这些实验的不足在于：光发射谱仅仅针对动量空间，而扫描隧道实验探测的仅仅是实空间。

 

Kohsaka等通过傅立叶分析技术，将扫描隧道实验获得的实空间（电子密度驻波）图像转换成动量空间的波矢，从而辨认出 Fermi面中与超导密切相关的片段。在动量空间的节(nodal)方向，Cooper对的束缚能为零。实空间驻波与拆散超导Cooper对的低能激发相联系；而观察到的实空间中电子密度的周期性畴结构，则对应高能的赝能隙态激发。激发能低与高的分界值，对掺杂程度不敏感；但随着载流子密度减小，Fermi面中超导相关片段的尺寸必定迅速减小