铜氧化物高温超导的机理一直是凝聚态物理领域非常重要的科学问题，其相图的典型特征是通过阳离子替换引入的电荷掺杂使其从反铁磁莫特绝缘态过渡到超导相。Pr2CuO4是电子型铜氧化物超导体Pr2−xCexCuO4（PCCO）的母体，由于同位库伦排斥作用，铜的dx2−y2轨道劈裂为上下Hubbard能带，使得其半填充时展示绝缘性。除了阳离子掺杂带来的相变，微弱的氧含量变化也会影响相变过程，这相当于在相图中引入了一个额外的维度，增加了研究难度。中科院物理研究所金魁研究员团队采用高分子辅助沉积法制备出高质量的铜氧化物Pr2CuO4±δ（PCO）薄膜，通过调节氧含量，实现了绝缘-超导转变。实验发现在PCO中减少氧含量和增加Ce掺杂展示出相似的电学特性，但相较于PCCO，三元的PCO为建立电子型铜氧化物相图提供了一个理想的研究平台。离子液体调控技术是改变材料载流子浓度的有效方法。该方法采用离子液体作为电介质，通过施加偏压使带电离子运动到材料表面从而引入电荷，因其电容巨大而能大范围改变材料电学特性。通过合适的条件控制，离子液体调控还可以在电学表征的同时进行原位的氧（氢）离子注入/脱出（电化学反应），因此是研究PCO中绝缘-超导相变的理想手段。该团队利用离子液体电化学调控技术在绝缘PCO薄膜中成功实现了两种不同超导态的操控（如图1所示）。
图1、PCO薄膜正负向调控示意图及不同电压调控下的R-T曲线
图2、PCO调控与原位XRD测量以及超导和非超导PCO薄膜高分辨透射电镜图
他们发现在正电场调控下，因载流子的掺杂效应，薄膜可以在超导态和非超导态之间可逆转换（即易失超导态）。有意思的是，当对绝缘样品进行负偏压调控时（至−3.5V），样品的电阻会明显增大，然而，在降低偏压过程中样品会展现超导电性，而且该超导态在撤去偏压时仍然存在（即非易失超导态）。他们进一步开展了原位X射线衍射（XRD）以及高分辨透射电镜电子能量损失谱研究，实验结果表明负向调控增加偏压过程可以修复铜氧面氧空位。针对负偏压诱导的超导电性，两种可能的物理机制被提出：1）修复铜氧面中的氧空位后，降偏压过程的等效掺杂使得上Hubbard能带与氧的2p 能带发生交叠，从而诱导超导电性；2）铜氧面中氧空位修复的同时，部分氧离子占据了间隙位，当撤去偏压时，间隙氧离子富集在样品表面形成高空穴型载流子区域，获得超导电性。后一机制意味着空穴掺杂诱导的超导电性，值得进一步深入研究。相关研究成果以封面文章发表于Science Bulletin 2020年第19期，该文通讯作者为中科院物理研究所的金魁研究员和陈其宏特聘研究员，第一作者为博士研究生魏鑫健。
Xinjian Wei, Hao-BoLi, Qinghua Zhang, Dong Li, Mingyang Qin, Li Xu, Wei Hu, Qing Huan, Li Yu, Jun Miao, Jie Yuan, Beiyi Zhu, Anna Kusmartseva, Feo V. Kusmartsev, Alejandro V. Silhanek, Tao Xiang, Weiqiang Yu, Yuan Lin, Lin Gu, Pu Yu, Qihong Chen, Kui Jin. A selective control of volatile and non-volatile superconductivity in an insulating copper oxide via ionic liquid gating. Science Bulletin, 2020, 65(19):1607–1613
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