復(fù)雜過渡金屬化合物的新奇物性的光電子譜研究.pdf

1、過渡金屬化合物體系中的強電子關(guān)聯(lián)以及其中表現(xiàn)出來的豐富的相變、有序以及多自由度競爭，例如電荷，軌道，自旋以及晶格之間的相互作用，一直以來都是凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的熱點。隨著各種新奇的材料不斷被合成，新奇的物理性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了一場又一場凝聚態(tài)領(lǐng)域的研究熱潮，推動了物理，化學(xué)，材料等交叉學(xué)科的發(fā)展。這些新奇的物理化學(xué)性質(zhì)使得強關(guān)聯(lián)電子材料有可能代替硅而成為新一代電子器件的基底材料，其潛在的應(yīng)用價值也已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。另一方面，超高真空、極低

2、溫以及超短脈沖激光等技術(shù)的迅速發(fā)展將我們不斷地推進到更復(fù)雜、更微觀以及超快的研究領(lǐng)域。由于材料尤其是單晶材料的物理化學(xué)等性質(zhì)很大程度上決定于它的電子結(jié)構(gòu)，因此對于材料電子結(jié)構(gòu)的研究在理論和實驗上都是非常重要的。而角分辨光電子能譜(Angle Resolved PhotoemissionSpectroscopy，ARPES)作為唯一一種可以直接在動量空間對材料的電子結(jié)構(gòu)進行刻畫的實驗工具，被廣泛的應(yīng)用在物理、化學(xué)以及材料等領(lǐng)域。它在電子結(jié)

3、構(gòu)、相變以及各種有序現(xiàn)象等負責(zé)的研究領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用，為我們揭示了很多新奇物性的微觀本質(zhì)。而時間分辨的雙光子光電子能譜(Time-Resolved TwoPhoton Photoemission，TR2PPE)更是對傳統(tǒng)ARPES的一個強有力的補充。它能夠直接在時間域和動量空間對電子的能態(tài)以及激發(fā)、馳豫等超快的動力學(xué)過程進行直接的研究。而載流子激發(fā)后的瞬態(tài)行為及非平衡態(tài)信息在表面、界面電子學(xué)，電熱輸運以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等領(lǐng)域有重

4、要的研究意義，對于這些動力學(xué)過程的理解為我們提供了研究多體體系內(nèi)部基本相互作用的必要信息，
　　本文首先簡單介紹了ARPES技術(shù)，然后介紹了利用超高分辨的ARPES在新型鐵基超導(dǎo)母體“122”以及“1111”體系中得到的一些結(jié)果，最后介紹了我們在實驗室內(nèi)搭建的TR2PPE系統(tǒng)以及在一些簡單體系中取得的初步結(jié)果，主要的結(jié)果如下：
　　1.利用高分辨的ARPES，我們對鐵基超導(dǎo)“122”體系母體材料BaFe2As2的電子結(jié)構(gòu)進行

5、了詳細的研究。我們率先給出了BaFe2As2正常態(tài)和低溫自旋密度波(spin Density Wave)態(tài)的電子結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)低溫下體系發(fā)生能帶劈裂，從而節(jié)省了體系的總能量，有利于SDW相變的發(fā)生。另外，我們在費米面上觀察到可能的能隙打開，說明費米面嵌套機理在SDW相變中也許也起了一定的作用。我們的結(jié)果為鐵基超導(dǎo)材料中SDW轉(zhuǎn)變的奠定了基礎(chǔ)。并為理解超導(dǎo)和SDW之間的關(guān)系提供了一定的參考意義。
　　2.利用高分辨的ARPES，我們

6、對“1111”體系的兩種代表性的母體材料LaFeAsO和SmFeAsO的電子結(jié)構(gòu)做了詳細的研究。我們通過各種實驗手段，在“1111”體系的兩種代表性的母體材料中確認了一部分體帶和表面帶。我們發(fā)現(xiàn)低溫下體帶的重構(gòu)節(jié)省了體系的總能量，有利于相變的發(fā)生。另外，“1111”體系中尖銳的準(zhǔn)粒子峰和比較好的二維性有可能與為什么“1111”體系能夠保持鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄有關(guān)。我們的結(jié)果將有助于建立一個全局性的鐵基超導(dǎo)體的物理圖像。

7、　　3.我們對1/2摻雜的La1-xSr1+xMnO4體系的電子結(jié)構(gòu)做了研究。體系的譜線很寬且具有強耦合體系的非相干特性。有意思的是，這樣一個強關(guān)聯(lián)的絕緣體體系中的電荷有序原本應(yīng)該是用局域的物理圖像來描述，但是我們觀察到了剩余費米面的嵌套。而且根據(jù)自相關(guān)函數(shù)計算的結(jié)果，剩余費米面嵌套在電荷有序中起到了非常重要的作用。我們的結(jié)果說明該類絕緣體材料中的電荷有序和傳統(tǒng)的巡游的電荷密度波之間存在著某種相似性。也許不能用純粹的局域化的理論來描述此