PRL－王楠林小組－CuxTiSe2體系紅外光學性質研究

近日，中科院物理研究所極端條件物理重點實驗室王楠林研究員領導的小組在CuxTiSe2體系紅外光學性質研究中取得新的進展。他們發現Cu0.07TiSe2超導體在正常態具有奇異的金屬行為，其等離子體頻率隨溫度的降低出現顯著的藍移。
 
CuxTiSe2是2006年美國普林斯頓大學化學系Cava研究組新發現的超導體系，它是在具有電荷密度波相變的的母體材料1T-TiSe2通過插層Cu1＋離子所形成。由于這是首次在1T型結構的層狀二硫族過渡金屬化合物通過離子插層實現超導電性，且其電子相圖與銅氧化物高溫超導體的電子態相圖形狀很類似，該體系受到國際同行的廣泛關注。王楠林研究組與Cava小組及普林斯頓大學物理系從事角分辯光電子能譜(ARPES)研究的Hasan小組三方密切合作對該體系的母體和Cu插層(摻雜)得到的超導體的電子結構和電荷動力學進行了深入研究，取得系列成果。他們發現母體材料1T- TiSe2發生的電荷密度波相變不是通常的金屬－絕緣體相變，而是由半金屬（semimetal）到另外一個半金屬狀態的相變。該相變不是源自于費米面疊套，而是由于特殊的電子－空穴相互作用所驅動（Phys. Rev. Lett. 99, 027404 (2007)）。Cu插層到母體結構中，提供額外的電子，升高體系的化學勢，導致布里淵區L點處的電子型能帶填充增加，體系由半金屬態向L點附近電子型能帶支配的金屬性轉化（Phys. Rev. Lett. 98, 117007 (2007)）。利用光反射譜技術王楠林研究組李崗等人進一步詳細測量了Cu0.07TiSe2超導體單晶樣品正常態的光學性質，發現體系等離子體頻率隨溫度的降低向高能方向顯著增大（藍移）。對于金屬樣品這是一個十分罕見的現象。他們的研究揭示出該現象是由于費米能附近電子的有效質量隨溫度降低而減小所導致的。這種減小源自于兩個方面：首先布里淵區L點附近電子與聲子存在很強的相互作用（在母體中L點處的聲子會完全軟化），而沿色散能帶離開L點后電聲子相互作用減弱；其次該體系費米溫度很低，化學勢隨溫度由300K降低到0K附近約有5％－10%的上升，導致費米能位置逐漸遠離L點。這樣費米能附近的電子隨溫度的降低所經受的電聲子相互作用會顯著減弱，相互作用對電子有效質量重整化修正變小。這項新的研究工作對認識該體系復雜的電子態和電聲子相互作用具有意義，已發表在《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 99, 167002 (2007)）。
 
上述研究得到中國科學院、國家自然科學基金和科技部項目的支持。