成果 | 闻海虎、杨欢教授团队在高温超导机理研究中取得重要进展

近日，我院闻海虎、杨欢教授团队与合作者在铁杂质掺杂的铜氧化物高温超导体中直接观测新出现的非公度反铁磁相。该研究成果以“Direct visualization of a static incommensurate antiferromagnetic order in Fe-doped Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ”为题于2021年12月21日在线发表在国际核心期刊《美国科学院院刊》[PNAS 118, No. 51 e2115317118 (2021)]上。

该工作是由闻海虎、杨欢教授团队与理论合作者德国波鸿鲁尔大学的Eremin教授团队合作完成，美国布鲁克海文国家实验室的顾根大教授提供了高质量的样品，南京大学是第一作者和第一通讯作者单位。文章的并列共同第一作者是万思源、李华州、Peayush Choubey和顾强强；通讯作者是杨欢教授、Eremin教授和闻海虎教授。此工作得到自然科学基金委，科技部的“量子调控计划”和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持，在此表示感谢。

高温超导机理是Science杂志评选出来的人类目前面临的125个重大科学问题之一，对它的认识将从根本上突破1957年创立的、并统治超导领域长达60多年的Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论的范畴，将带来意义深远的基础科学革命和应用的发展。

自从1986年铜氧化物高温超导被发现以来，其机理问题一直是凝聚态物理中重要的研究内容。由于电子关联性，铜氧化物超导体的母体表现出绝缘性，其基态是反铁磁的莫特绝缘体，不再是我们熟知的固体物理能带论可以描述的。随着空穴载流子的掺杂，强关联的电子得以松动，因此长程反铁磁序被破坏而只剩下的短程反铁磁涨落，而反铁磁涨落被认为可能是高温超导电子配对的驱动力。为了进一步研究高温超导与反铁磁的内在关系，物理学院闻海虎、杨欢教授团队在铁掺杂的铜氧化物高温超导体Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ上，利用自己开发的自旋极化的扫描隧道显微技术，在铁原子杂质附近直接观测到了一种非公度的反铁磁序。该工作充分揭示了铜氧化物中超导和反铁磁之间的紧密关系，对非常规高温超导机理的多种模型给与了强力的限制。

该成果详细介绍：通过隧道谱测量，他们发现铁杂质在Bi-2212超导体破坏了其附近的超导相干，但是对配对的特征没有太大的影响，这本身就给出了重要启示。进一步他们利用自己开发的自旋极化扫描隧道谱技术对样品进行了系列准粒子相干散射测量，图1A,B展示了用正负磁场极化针尖测量同一区域内的准粒子相干散射图，其中亮点是掺杂的铁原子，两个图基本没有太大差别，说明非自旋相关的电荷信号占据主导。对其的傅立叶变换结果（图1C,D）和普通针尖测量的结果类似，在超导能隙以上，能看到电荷调制中 Q" 散射斑纹。如果将图1A,B数据相减，可以得到自旋分辨的相关信息，如图1E所示，在铁原子周围，能够发现正负相间的类似反铁磁信号。图1F是图1E对应的傅立叶变换结果，在约等于(0.85,0.85)π/a₀波矢的位置，出现了四个新的静态反铁磁斑纹，因为和晶格参数不匹配，说明这是非公度的反铁磁序。

图1  (A,B) 用正负磁场极化针尖得到的准粒子相干散射图谱，它们傅立叶变换后的强度图如(C,D)所示。(E) A、B两图相减得到的自旋分辨的准粒子相干散射图，在Fe原子所在位置（绿色五角星）附近出现正负交替的反铁磁斑纹。(F) 对E进行傅立叶变换后的强度图，C、D中电荷调制的散射斑纹 Q" 消失，而新出现了反铁磁的散射斑纹Q₀。

之后他们继续对这一非公度反铁磁序进行高像素测量和放大分析（图2A-C），其实空间周期略大于晶格点阵（图2B中的黑点）的周期。而对于不同能量测量的傅立叶变换后的自旋分辨的准粒子相干散射信号分析，可以发现，这一反铁磁序在25到150 meV很宽的能量范围动量空间的位置几乎不动，也就是说基本没有能量色散。理论合作者德国鲁尔大学的Eremin教授小组，通过假设单带哈伯德模型，加上d-波超导和反铁磁涨落，最后发现，弱的磁性杂质会稳定住对角节点间散射波矢的反铁磁序（图2F中黑色箭头所示），因此该理论计算和与我们的实验数据基本吻合。

图2  在小的区域(A)内测量的空间自旋分辨的准粒子相干散射信号(B)，能够看到反铁磁序的明显空间振荡(C)，傅立叶变换的结果(D)能够看到明显的斑纹，这一反铁磁序在能隙以上很大范围内出现，且没有色散(E)。理论计算结果(G-J)和实验结果和基本一致。

该工作开辟了自旋分辨的扫描隧道显微镜在研究铜氧化物超导体中的成功范例，并成功直观显示了一种新出现的非公度反铁磁序，被文章审稿人高度赞誉为铜氧化物研究方面的一个重要里程碑（milestone）。在近最佳掺杂的铜氧化物超导体中，铁杂质不仅压制了超导相干，还产生了一种新的非公度反铁磁序，揭示了高温超导与反铁磁之间紧密的内在关系，对高温超导机理目前出现的众多模型进行了强力限制。该结果对深入理解非常规超导机理中的反铁磁关联提供了重要的实验证据和理论支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2115317118

来源 / 闻海虎、杨欢教授团队

编辑 / 王开礼

责编 / 谢亚玲

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