【儀表網 研發快訊】近日，北京大學物理學院量子材料科學中心彭瑩瑩助理教授課題組與國內外合作者對極度欠摻雜銅氧化物Bi2212進行研究。通過將共振非彈性X射線散射譜學與掃描隧道顯微學兩類實驗技術結合，該工作系統地揭示了該材料體系從電荷有序態向高溫超導態演化過程，指出了“扭曲鍵”聲子(bond-buckling phonon)與超導電子對凝聚現象的重要關聯，為高溫超導機理研究及相關實驗領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，在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　自銅氧化物高溫超導體發現三十多年來，對于其“非常規性”的理解一直是領域內研究前沿、被認為對高溫超導的機理研究具有關鍵作用。在已識別的非常規現象中，超導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，這一點與傳統BCS超導明確不同。因此，理解超導電子對的形成與凝聚過程中的物理現象將會加深對高溫超導非常規性的理解。 過去研究者通過掃描隧道顯微學實驗發現，銅氧化物的表面電子態在極低摻雜區間的莫特絕緣相就已經形成了電荷序【Cai, P. et al., Nat. Phys. 12, 1047 (2016)】，并且很可能存在未凝聚的超導電子對【Ye, S. et al., Nat. Phys. 10.1038/s41567–023–02100–9 (2023)】。然而，這種存在預配對的電荷序絕緣體尚未通過其他實驗，特別是對材料體探測技術驗證。此外，關于預配對的電子是如何凝聚的、關鍵物理過程是什么，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院物理研究所周興江研究員合作，對超導起始摻雜點(p=0.05)前后的Bi2Sr2(Ca,Dy)Cu2O8+δ(Bi2212)高溫超導材料進行研究，覆蓋相圖中的大范圍溫度(5K—273K)區間(圖1a)。通過將高能量、動量分辨率的體電子探測技術(共振非彈性X射線散射譜，RIXS)與高實空間分辨率的表面電子探測技術(掃描隧道顯微譜，STM)相結合，研究人員首次觀察到絕緣相(p=0.04)中存在體態的電荷序，該電荷序從相圖高溫區就已存在，電荷序的調制與贗能隙在實空間一致、電荷序的波矢與表面態測量結果一致，這些物理特征奠定了超導電子對形成的土壤。隨著溫度降低，絕緣相的電荷序(圖1b)和“拉伸鍵”聲子(bond-stretching phonon)耦合強度(圖1d)均連續演化，而“扭曲鍵”聲子(bond-buckling phonon)在較高摻雜(p=0.06)下產生突變(圖1c)、伴隨體系進入超導相形成超導能隙，顯示其與超導電子對凝聚過程的重要關聯。這些關鍵物理現象共同闡明了Bi2212體系中由電荷序絕緣體向高溫超導體演化的全過程，為高溫超導中電子對的形成和凝聚研究提供了全新的物理理解和實驗分析思路(圖2)。
 

　　圖1. (a)實驗相圖研究區間。(b)電荷序隨溫度演化。(c)bond-buckling phonon強度隨溫度演化。(d)bond-stretching phonon強度隨溫度演化
 

　　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。(c)進入超導相后形成超導能隙
 

　　北京大學物理學院量子材料科學中心“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實驗得到了周克瑾課題組支持，STM實驗得到了王亞愚課題組支持，實驗研究中用到的高質量Bi2212單晶由周興江課題組提供。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金和中國博士后科學基金支持。