自1986年铜氧化物高温超导体发现以来,人们对多种铜氧化物材料体系进行了大量的研究，然而对其超导电性的微观机理依然没有共识。但在不同高温超导材料中普遍存在的物理现象是电荷的有序态，因此有理由相信阐明电荷序的机理对于理解高温超导机制有着重要的意义。然而，此前的研究主要集中于具有长程电荷有序态的欠掺杂和最佳掺杂区域，对于过掺杂区域电荷序的演化和消失过程的研究较为欠缺，特别是电荷序与超导态的关系目前还不清楚。

近期，物理系王亚愚课题组和中科院物理所周兴江研究组合作，利用扫描隧道显微镜（STM）对空穴掺杂的铜氧化物超导材料Bi2Sr2CuO6+δ（Bi-2201）进行了实验测量，覆盖了从最佳掺杂至极度过掺杂不超导的较大掺杂区间。在最佳掺杂时，长程电荷有序是由直径大约2纳米的电荷团簇按照棋盘格子状组织成的。随着空穴浓度的增加，电荷团簇变得稀疏，长程序也逐渐演化成玻璃态的短程序。与此同时，电荷团簇内部的条纹状结构在整个超导区间都保持不变。通过进一步分析隧道谱中的超导相干峰强度和能隙深度在空间的周期性调制，发现库珀对在空间形成的密度波和电荷序具有相同的棋盘格子周期和条纹状内部结构。随着掺杂浓度增加，库珀对有序态和电荷有序态始终保持正相关性，有着相同演化规律。而在极度过掺杂不超导区间，电荷团簇和条纹完全消失，棋盘格子的电荷序也被一种全新的以√2×√2为周期的短程电荷序取代。

该工作利用STM实验手段首次系统地揭示了Bi-2201材料中电荷有序态和库珀对有序态在过掺杂区间演化和消失的过程，为理解铜氧化物超导体中各种有序态的形成机制、演化过程、相互作用及其与超导电性的关系提供了有价值的新线索。该研究成果以“Evolution of Charge and Pair Density Modulations in Overdoped Bi2Sr2CuO6+δ”为题发表在2021年1月12日的Physical Review X上。物理系博士生李昕彤为论文的第一作者。该项工作得到国家自然科学基金委、科技部、教育部量子信息科学前沿中心以及北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。

图：a)最佳掺杂时棋盘格子状长程电荷序，黄色阴影代表有条纹状内部结构的电荷团簇；b)随掺杂浓度增加，组成棋盘格子电荷序的电荷团簇密度降低，√2×√2的电荷序所占比例增加；c)电荷序演化过程示意图：长程电荷序变为玻璃态，在过掺杂不超导区域被短程的√2×√2电荷序取代。d) 10 meV附近超导相干峰强度在空间周期性调制，库珀对的有序态与电荷序呈正相关性。