不是Nature就是Science，一个长期悬而未决的问题获得新发现！
纳米技术
2020-08-17
通讯作者：Takeshi Kondo（东京大学）；Kazuyasu Tokiwa（东京理科大学）1. 探索了一个长期悬而未决的科学问题：铜酸盐材料中超导产生机理和材料结构/组成之间的关系。2. 首次在实验中明确观测到Fermi口袋结构，并伴随着非常小的超导能隙（趋近于0）。超导是一种无电阻的量子相关态，在传感、强电磁体、计算等领域有用武之地，一些材料由于一些还不明确的原因产生超导作用，其中铜基材料目前具有最高的超导态转换温度，并且多种铜基材料的超导温度超过了液氮的沸点。铜酸盐中本征并没有超导性，铜酸盐表现出的超导是通过不同相互纠缠的相互竞争且同时存在的电子相结构产生的。虽然目前人们发现了数百种铜酸盐超导体材料，但是目前大多数关于铜酸盐相关的研究局限在少数几个化合物中。铜酸盐材料超导作用是如何产生的？机理是什么？了解这些机制，对于我们开发更多新型高温超导材料具有重要指导作用。有鉴于此，东京大学Takeshi Kondo、东京理科大学Kazuyasu Tokiwa等人报道了一种五元铜酸盐Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2材料，并对铜基高温超导体的超导机理进行了探索。通常的铜酸盐材料中单胞中有1~2层CuO2，而Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2中有5层CuO2，并且彼此有所区别。通过表面态表征和块体材料表征相结合，对铜酸盐超导作用中长期悬而未决的问题提供了理解，具体上在实验中首次明确观测到Fermi口袋结构，并伴随着非常小的超导能隙（趋近于0），该结构对超导作用可能有非常重要的作用。加州大学戴维斯分校Inna Vishik在Science撰文总结并评述了该研究的重要意义。图1. Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2材料结构和超导机理铜酸盐的性质通常可以使用掺杂方法调节载流子浓度进行调控，其中空穴掺杂方法能够在铜酸盐中提供了正电荷并获得最高的超导转换温度。此外，其他种类超导材料，包括重费米子材料、有机超导体、铁基超导体等，其中的超导态非常接近反铁磁序（antiferromagnetic order）。这个结果说明，在不同类型铜酸盐中存在着类似的超导机理，即和反铁磁相关的动态激励（dynamic excitations）从而促进电子组成库珀对状态。但是，这种铜酸盐材料的电子结构、超导态角度分析空穴掺杂作用仍未得到深入理解。铜酸盐中都含有CuO2面，并起到关键性的超导作用，掺杂的电子、空穴转移到CuO2面中，同时铜酸盐中元素替代主要发生在CuO2层之间，并作为电荷贮存层CRL（charge-reservoir layer）。这种铜酸盐中含有两个、三个相邻CuO2面具有最高的超导转换温度，其中一个或多个CuO2面并未与电荷贮存层CRL相邻，因此CuO2的畸变作用得以缓解，同时掺杂量更低。图2. 角分辨光电子能谱表征费米口袋（Fermi Pocket）电子结构东京大学Takeshi Kondo、东京理科大学Kazuyasu Tokiwa等通过量子振荡、角分辨光电子能谱方法对Cu2O层中的长程反铁磁性进行测试，发现在强磁场和无磁场中有类似的基态，在布里渊区（π/2，π/2）附近发现较小的Fermi口袋结构，同时d波超导能带在口袋附近打开，说明超导和反铁磁序在CuO2层中同时存在，超导的产生不需要在波腹区域（π，0）附近的贡献。通过Fermi面的大小和位置对反铁磁性进行表征，从而对零能量电子激发的轨迹进行研究，该Fermi面对超导作用的起源非常重要。超导能隙和束缚于费米面的激发相关，并反映了破坏库珀电子对所需要的能量，从而为超导态提供载流子。Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2材料中的超导能隙在CuO2面外有分布，这个现象说明CuO2面并不仅仅起到靠近超导面，并且能够增强超导作用（尽管CuO2同时具有反铁磁性）。总之，这项研究深入探索了铜酸盐材料超导作用机制，为开发更多新型高温超导材料提供了重要借鉴。1. SoKunisada, Kazuyasu Tokiwa*, Takeshi Kondo* et. al. Observation of small Fermipockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor,Science 2020, 369, 833-838DOI：10.1126/science.aay7311https://science.sciencemag.org/content/369/6505/8332. InnaVishik* A coexistence that CuO2 planes can see, Science 2020, 369,775-776DOI:10.1126/science.aba9482https://science.sciencemag.org/content/369/6505/775
