【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心彭瑩瑩助理教授課題組與國內(nèi)外合作者對極度欠摻雜銅氧化物Bi2212進(jìn)行研究。通過將共振非彈性X射線散射譜學(xué)與掃描隧道顯微學(xué)兩類實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合，該工作系統(tǒng)地揭示了該材料體系從電荷有序態(tài)向高溫超導(dǎo)態(tài)演化過程，指出了“扭曲鍵”聲子(bond-buckling phonon)與超導(dǎo)電子對凝聚現(xiàn)象的重要關(guān)聯(lián)，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究及相關(guān)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域開展提供了新的思路。9月4日，該成果以《Bi2Sr2(Ca,Dy)Cu2O8+δ中電荷有序絕緣體到高溫超導(dǎo)體的演變》【Evolution from a charge-ordered insulator to a high-temperature superconductor in Bi2Sr2(Ca,Dy)Cu2O8+δ】為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　自銅氧化物高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)三十多年來，對于其“非常規(guī)性”的理解一直是領(lǐng)域內(nèi)研究前沿、被認(rèn)為對高溫超導(dǎo)的機(jī)理研究具有關(guān)鍵作用。在已識別的非常規(guī)現(xiàn)象中，超導(dǎo)電子對的形成與凝聚過程在溫度和摻雜自由度上是分開的，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)BCS超導(dǎo)明確不同。因此，理解超導(dǎo)電子對的形成與凝聚過程中的物理現(xiàn)象將會加深對高溫超導(dǎo)非常規(guī)性的理解。 過去研究者通過掃描隧道顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銅氧化物的表面電子態(tài)在極低摻雜區(qū)間的莫特絕緣相就已經(jīng)形成了電荷序【Cai, P. et al., Nat. Phys. 12, 1047 (2016)】，并且很可能存在未凝聚的超導(dǎo)電子對【Ye, S. et al., Nat. Phys. 10.1038/s41567–023–02100–9 (2023)】。然而，這種存在預(yù)配對的電荷序絕緣體尚未通過其他實(shí)驗(yàn)，特別是對材料體探測技術(shù)驗(yàn)證。此外，關(guān)于預(yù)配對的電子是如何凝聚的、關(guān)鍵物理過程是什么，也仍然沒有得到很好的理解。
 

　　為了回答這些問題，彭瑩瑩課題組與清華大學(xué)物理系王亞愚教授、英國Diamond同步輻射線站周克瑾研究員和中國科學(xué)院物理研究所周興江研究員合作，對超導(dǎo)起始摻雜點(diǎn)(p=0.05)前后的Bi2Sr2(Ca,Dy)Cu2O8+δ(Bi2212)高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行研究，覆蓋相圖中的大范圍溫度(5K—273K)區(qū)間(圖1a)。通過將高能量、動量分辨率的體電子探測技術(shù)(共振非彈性X射線散射譜，RIXS)與高實(shí)空間分辨率的表面電子探測技術(shù)(掃描隧道顯微譜，STM)相結(jié)合，研究人員首次觀察到絕緣相(p=0.04)中存在體態(tài)的電荷序，該電荷序從相圖高溫區(qū)就已存在，電荷序的調(diào)制與贗能隙在實(shí)空間一致、電荷序的波矢與表面態(tài)測量結(jié)果一致，這些物理特征奠定了超導(dǎo)電子對形成的土壤。隨著溫度降低，絕緣相的電荷序(圖1b)和“拉伸鍵”聲子(bond-stretching phonon)耦合強(qiáng)度(圖1d)均連續(xù)演化，而“扭曲鍵”聲子(bond-buckling phonon)在較高摻雜(p=0.06)下產(chǎn)生突變(圖1c)、伴隨體系進(jìn)入超導(dǎo)相形成超導(dǎo)能隙，顯示其與超導(dǎo)電子對凝聚過程的重要關(guān)聯(lián)。這些關(guān)鍵物理現(xiàn)象共同闡明了Bi2212體系中由電荷序絕緣體向高溫超導(dǎo)體演化的全過程，為高溫超導(dǎo)中電子對的形成和凝聚研究提供了全新的物理理解和實(shí)驗(yàn)分析思路(圖2)。
 

　　圖1. (a)實(shí)驗(yàn)相圖研究區(qū)間。(b)電荷序隨溫度演化。(c)bond-buckling phonon強(qiáng)度隨溫度演化。(d)bond-stretching phonon強(qiáng)度隨溫度演化
 

　　圖2. (a)電荷序波矢隨摻雜濃度演化。(b)電荷序及bond-buckling phonon電荷激發(fā)。(c)進(jìn)入超導(dǎo)相后形成超導(dǎo)能隙
 

　　北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心“博新計劃”博士后鄒昌煒(已出站)為文章第一作者、彭瑩瑩和王亞愚為論文的共同通訊作者。該研究中的RIXS實(shí)驗(yàn)得到了周克瑾課題組支持，STM實(shí)驗(yàn)得到了王亞愚課題組支持，實(shí)驗(yàn)研究中用到的高質(zhì)量Bi2212單晶由周興江課題組提供。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金支持。