王亚愚研究组在铜氧化物高温超导体的电子结构研究方面取得进展

 

铜氧化物高温超导体的微观机理是凝聚态物理学中重要的一个未解之谜。尽管目前学术界还没有共识,人们通常认为铜氧化物中的高温超导电性是由于在反铁磁莫特绝缘体中掺杂了适量载流子而产生的。因此,理解从莫特绝缘体母体到超导态的电子结构演变是理解高温超导机理的重要环节。然而,在这些所谓的欠掺杂材料中通常存在电子结构的空间不均匀性,以及赝能隙态、电荷有序态等与超导态的相互纠缠,使得对其电子结构的理解困难重重。扫描隧道显微镜由于能够在原子尺度探测局域电子态密度和电荷有序态,成为研究这些问题的理想手段,但是测量靠近母体的绝缘性材料在技术上具有很高的挑战性。

 

 

物理系低维量子物理国家重点实验室王亚愚研究组发展了测量绝缘性氧化物的扫描隧道显微镜技术,并利用其对极度欠掺杂的Bi2Sr2-xLaxCuO6铜氧化物体系进行了实验研究。他们从反铁磁莫特绝缘体出发,系统揭示了其电子结构随掺杂浓度的演化趋势。如上图所示,随着空穴浓度增加,电子结构的主要变化是高能量谱权重连续转移到莫特能隙中间的低能电子态。然而,在费米能附近的谱权重始终受到压制,从而导致了V-型赝能隙谱的形成。同时,在掺杂浓度较高、赝能隙较小的区域开始出现棋盘状的电荷有序态,而此时样品仍处在绝缘态中。该研究结果表明,对反铁磁莫特绝缘体进行电荷掺杂时,铜氧化物首先成为电荷有序的绝缘体,而费米面和高温超导电性是在此基础上进一步演生出来的。这项工作为理解铜氧化物超导体电子结构的演化、电荷有序态的形成机制及其与超导电性的关系提供了有价值的新线索。

该研究成果于2016年8月8日以“Visualizing the evolution from the Mott insulator to a charge ordered insulator in lightly doped cuprates”为题在Nature Physics杂志在线发表。该项工作是与中国科学院物理所周兴江研究组以及美国加州大学伯克利分校李东海教授合作完成的,物理系博士研究生蔡鹏为该论文的第一作者。