彭莹莹课题组揭示铜氧化物从电荷序绝缘体向高温超导体演化过程

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心彭莹莹课题组与国内外合作者对极度欠掺杂铜氧化物Bi2212进行研究。通过将共振非弹性X射线散射谱学与扫描隧道显微学两类实验技术结合，该工作系统地揭示了该材料体系从电荷有序态向高温超导态演化过程，指出了“扭曲键”声子(bond-buckling phonon)与超导电子对凝聚现象的重要关联，为高温超导机理研究及相关实验领域开展提供了新的思路。2024年9月4日，该成果以“Bi₂Sr₂(Ca,Dy)Cu₂O_8+δ中电荷有序绝缘体到高温超导体的演变”（Evolution from a charge-ordered insulator to a high-temperature superconductor in Bi₂Sr₂(Ca,Dy)Cu₂O_8+δ）为题，在线发表于《自然·通讯》 (Nature Communications)。

自铜氧化物高温超导体发现三十多年来，对于其“非常规性”的理解一直是领域内研究前沿、被认为对高温超导的机理研究具有关键作用。在已识别的非常规现象中，超导电子对的形成与凝聚过程在温度和掺杂自由度上是分开的，这一点与传统BCS超导明确不同。因此，理解超导电子对的形成与凝聚过程中的物理现象将会加深对高温超导非常规性的理解。 过去研究者通过扫描隧道显微学实验发现，铜氧化物的表面电子态在极低掺杂区间的莫特绝缘相就已经形成了电荷序(Cai, P. et al., Nat. Phys. 12, 1047 (2016))，并且很可能存在未凝聚的超导电子对(Ye, S. et al., Nat. Phys. 10.1038/s41567–023–02100–9 (2023))。然而，这种存在预配对的电荷序绝缘体尚未通过其他实验，特别是对材料体探测技术验证。此外，关于预配对的电子是如何凝聚的、关键物理过程是什么，也仍然没有得到很好的理解。

为了回答这些问题，彭莹莹研究组与清华大学物理系王亚愚教授、英国Diamond同步辐射线站周克瑾研究员和中国科学院物理研究所周兴江研究员合作，对超导起始掺杂点(p=0.05)前后的Bi₂Sr₂(Ca,Dy)Cu₂O_8+δ（Bi2212）高温超导材料进行研究，覆盖相图中的大范围温度(5K-273K)区间（图1a）。通过将高能量、动量分辨率的体电子探测技术（共振非弹性X射线散射谱，RIXS）与高实空间分辨率的表面电子探测技术（扫描隧道显微谱，STM）相结合，研究人员首次观察到绝缘相(p=0.04)中存在体态的电荷序，该电荷序从相图高温区就已存在，电荷序的调制与赝能隙在实空间一致、电荷序的波矢与表面态测量结果一致，这些物理特征奠定了超导电子对形成的土壤。随着温度降低，绝缘相的电荷序（图1 b）和“拉伸键”声子(bond-stretching phonon)耦合强度（图1 d）均连续演化，而“扭曲键”声子(bond-buckling phonon)在较高掺杂(p=0.06)下产生突变（图1 c）、伴随体系进入超导相形成超导能隙，显示其与超导电子对凝聚过程的重要关联。这些关键物理现象共同阐明了Bi2212体系中由电荷序绝缘体向高温超导体演化的全过程，为高温超导中电子对的形成和凝聚研究提供了全新的物理理解和实验分析思路（图2）。

图1. （a）实验相图研究区间。（b）电荷序随温度演化。（c）bond-buckling phonon强度随温度演化。（d）bond-stretching phonon强度随温度演化。

图2. （a）电荷序波矢随掺杂浓度演化。（b）电荷序及bond-buckling phonon电荷激发。（c）进入超导相后形成超导能隙。

北京大学物理学院量子材料科学中心“博新计划”博士后邹昌炜（已出站）为文章第一作者、彭莹莹助理教授和王亚愚教授为论文的共同通讯作者。该项研究中的RIXS实验得到了周克瑾小组的支持，STM实验得到了王亚愚教授课题组支持，实验研究中用到的高质量Bi2212单晶由周兴江研究员课题组提供。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和中国博士后科学基金支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52124-9