量子材料中的电子向列相（nematic phase），即电子态的旋转对称性破缺但仍然保持着平移对称性，这种奇异的电子态在铜氧化物、铁基等超导体及最近发现的笼目结构超导体中普遍存在。研究电子向列相的产生机制及其与高温超导配对机制之间的关联，是目前超导物理的研究重点之一。
近期，上海交通大学物理与天文学院张文涛研究组基于所研制的具备高能量、时间分辨率优势的先进角分辨光电子能谱系统，利用超快激光激发，在FeSe超导体中探测到两个纯电子结构相变，并发现晶格结构相变对向列相电子态有着奇异的贡献，该工作以“Anomalous Contribution to the Nematic Electronic States from the Structural Transition in FeSe Revealed by Time- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”为题，近期发表在《Physical Review Letters》上。
上图：实验原理图；（a）布里渊区中心三条空穴型能带随着激发密度的变化趋势；（b-c）三条能带能量分布曲线随激发密度的变化；
（e）三条能带的谱重随激发密度的变化。
FeSe是晶格结构最简单的铁基超导体，与大多数铁基超导体不同的是，FeSe在发生结构相变时并没有伴随着磁结构的相变，为研究纯的电子向列相和超导相之间的关联提供了独特的平台。在研究其向列相起源问题时，大量的平衡态变温实验认为，在发生结构相变时，晶格结构畸变量（< 0.5%）不足以引起相对而言比较大的电阻面内各向异性（~ 4%），因此普遍忽略了晶格自由度对向列相电子态的影响，但是实际上对于平衡态变温实验（Te = Tl，Te、Tl分别为电子和晶格温度），无法将晶格自由度和电子自由度区分开，难于判断两者分别对向列相电子态的贡献。在本研究中利用超快激光泵浦的方式，在超短的时间内可实现电子自由度和晶格自由度的分离（Te ≫ Tl），分别提取两者对向列相电子态的贡献。
左图：三条能带的能量移动随着激发密度的变化；中图：三条能带的能量移动随温度的变化；右图：二者的对比示意图。
对比非平衡态超快过程中的能量移动（纯电子序贡献）以及平衡态变温过程中的能量移动（纯电子序和晶格相变贡献总和），可提取出晶格结构相变对向列相电子态的影响，对于dyz，dxz和dz2能带的能量移动影响分别为-1，5和12 meV，与激光泵浦纯电子结构相变引起的能带移动大小相当，证明晶格结构相变对向列相电子态有着不可忽略的贡献。
与此同时，张文涛研究组还利用所研制的超高能量分辨角分辨光电子能谱（分辨率好于0.4 meV），对FeSe中向列相和超导能隙随S掺杂的变化进行了精细研究，发现随着掺S增加，超导能隙减小，同时向列相转变温度降低，证明向列相的出现有利于增强超导配对强度（Yang et al., Chin. Phys. Lett. 39, 057302, (2022), Express Letter）。
（a）FeSe1-xSx中费米面上能量分布曲线；（b）FeSe1-xSx中超导能隙随掺S的演化。
本工作主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金委、上海市教委创新计划和上海市科技重大专项资助，与复旦大学赵俊教授课题组、上海交通大学钱冬教授、向导教授合作完成。上海交通大学博士生杨媛媛为本工作第一作者，张文涛为通讯作者。
文章链接：
FeSe中超快纯子结构相变（Yang et al., PRL 128, 246401 (2022)）：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.246401
FeSe1-xSx中超导能隙随掺S的演化（Yang et al., CPL 39, 057302, (2022), Express Letter）：
http://cpl.iphy.ac.cn/article/10.1088/0256-307X/39/5/057302
本研究组相关时间分辨角分辨光电子能谱研究进展：
https://www.physics.sjtu.edu.cn/node/3195
https://www.physics.sjtu.edu.cn/node/2937
