物理系在铜氧化物高温超导体铜氧面电子结构研究方面取得重要进展


铜氧化物高温超导体的微观机理是三十余年来凝聚态物理学中的重大科学难题之一。通常,人们认为铜氧化物高温超导电性源于对反铁磁莫特绝缘基态的化学掺杂。因此,系统理解和准确描述掺杂莫特绝缘体,尤其是直接观测铜氧化物铜氧面的电子结构是解决铜氧化物高温超导机理问题的关键。

近四年来,物理系宋灿立、马旭村和薛其坤等致力于发展并利用氧化物分子束外延技术制备铜氧化物薄膜材料,已经在单层CuO2/ Bi2Sr2CaCu2O8+δ异质结构中观察到无能隙节点s波电子配对(Sci. Bull. 61, 1239 (2016)),在 La2-xSrxCuO4 薄膜表面观察到其电荷库层上丰富的电荷序(npj Quantum Mater. 4, 15 (2019))。最近,他们在制备原子级平整、厚度和掺杂水平精确可控的无限层铜氧化物单晶薄膜Sr1-x(La, Nd)xCuO2的基础上(Phys. Rev. B 97, 245420 (2018); Phys. Rev. B 101, 180508(R) (2020)),利用低温扫描隧道显微镜/谱对其形貌和电子结构进行了系统的测量,直接揭示了CuO2面电子结构随电子和空穴两种类型的载流子掺杂的演化规律。他们发现,铜氧化物超导体电荷库层的化学掺杂不改变相邻CuO2面基本的莫特能隙结构,而仅仅导致费米能级的移动和引入间隙态(in-gap states)(见插图)。阐明这些间隙态的产生机制将有助于理解铜氧化物高温超导电性的微观机理以及复杂的电子态相图。该工作首次在实验上系统性地揭示了铜氧化物高温超导体掺杂后的CuO2面的电子结构,为理解掺杂铜氧化物高温超导体的电子结构和超导电性的机理提供了有价值的新线索。


图:无限层铜氧化物高温超导体CuO2面的电子态随化学掺杂的演化


该研究成果以“Direct Visualization of Ambipolar Mott transition in Cuprate CuO2 Planes”为题发表在2020年8月12日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,并被选为编辑推荐论文(Editors’ Suggestion)。物理系博士生仲勇(现为斯坦福大学博士后)、范嘉琪和汪瑞峰为论文的共同第一作者。该工作还得到了物理系张定副教授、材料学院朱静院士等合作者的大力支持。该研究项目得到了科技部重点研发计划、自然科学基金委员会、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心和北京未来芯片技术高精尖创新中心的资助。

文章链接: 

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.077002

https://www.nature.com/articles/s41535-019-0156-1

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.180508

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.245420