中山大学/清华大学同发Nature及Science，破解​该领域的30年难题

氧化铜材料的高温超导机制在被发现30多年后仍然是一个谜。一种阐明这一点的方法是寻找铜家族中不同观察结果之间的相关性。随着铜族各晶胞中CuO2层数n的增加，最高转变温度(Tc,max)呈现出普遍的钟形曲线，在n = 3处达到峰值。这种趋势的微观机制仍然难以捉摸。

2023年7月13日，清华大学朱静及王亚愚共同通讯在Science 在线发表题为“Correlating the charge-transfer gap to the maximum transition temperature in Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ”的研究论文，该研究使用先进的电子显微镜对1≤n≤9的Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ族铜酸盐的原子结构进行了成像；可以同时测量电荷转移间隙尺寸(D)随n的变化。该研究确定D的n依赖性遵循倒钟形曲线，在n = 3时D值最小。D, n和Tc,max之间的关系可以澄清铜酸盐中超导性的起源。总之，该研究为进一步提高铜超导体的工作温度提供了设计原则。

另外，2023年7月12日，中山大学王猛及清华大学张广铭共同通讯在Nature 在线发表题为“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”的研究论文，该研究在14.0 ~ 43.5 GPa的高压电阻和相互感应磁化率测量中观察到La3Ni2O7单晶的超导特征，最大Tc为80k。高压下的超导相表现为Fmmm空间群的正交结构，Ni 阳离子的3dx2-y2和3dz2轨道与氧的2p轨道强混合。密度泛函理论计算表明，在费米能级下，由3dz2轨道和连接Ni-O双层的顶端氧组成的σ-bonding带的金属化是与超导性同时出现的。因此，该研究不仅为Ruddlesden-Popper 双层钙钛矿镍酸盐的高Tc超导性提供了重要线索，而且为研究高Tc超导机制提供了新的化合物家族（点击阅读）。

确定超导转变温度(Tc)的普遍趋势及其与其他物理参数的相关性可能为阐明超导的起源提供重要线索。例如，同位素效应其中M为同位素质量，在建立金属和合金中常规超导的微观理论时激发了声子介导的配对图。自从在氧化铜材料(称为铜酸盐)中发现高Tc超导性以来，人们在理解是什么控制Tc方面做出了相当大的努力。关于铜酸盐中Tc的变化趋势有两种：一种是特定铜酸盐化合物的Tc呈圆顶状的掺杂依赖性，其中Tc的最大值(Tc,max)位于空穴浓度p ~ 0.16处。另一种是Tc的最大值随同系中每单元细胞的CuO2平面数(n)的变化，当n =3时达到最大值。了解这些经验法则背后的物理起源，可以最终解决铜的配对机制问题。

虽然第二种趋势在许多铜族中仍然普遍存在，但第一种趋势在三层铜族Bi2Sr2Ca2Cu3O10+σ (Bi-2223)中明显违反，它在Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ族(Bi-族)化合物中具有最高的Tc，最大值为~115 K。最近的扫描隧道显微镜(STM)研究表明，在过掺杂状态下，Bi-2223的超导间隙随p单调减小。出乎意料的是，该掺杂范围内的Tc呈现平台而不是连续下降，很可能是由于存在两种类型的不等效CuO2平面。相比之下，Bi-2223体系为研究Tc,max随n的演变以及控制Tc,max的物理参数提供了理想的平台。一个有希望的起点是铜酸盐的莫特绝缘“母”态(p ~ 0)，其中电子结构可以用称为电荷转移间隙(CTG)D的单一参数来描述，其大小从1-3 eV不等。先前在Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ和Can+1CunO2n+2Cl2中n = 1和2的STM工作表明Tc,max与d呈反相关关系，并进行了理论计算。然而，由于两个主要障碍，尚未实现覆盖整个同源铜系的测量。首先，很难在任何铜族中合成n≥4的高质量单晶，达到p ~ 0的极限更是难上加难。其次，当n≥3时，铜酸盐的大部分光谱信息不能区分不同的CuO2平面。

用STM和STEM-EELS技术探测Δ（图源自Science ）

该研究利用扫描透射电子显微镜(STEM)和EELS技术对铋族铜酸盐的晶格构型和电子结构进行了逐层成像，覆盖了前所未有的1≤n≤9的层结构范围。该研究表明，不同顶环境的CuO2平面的D值有很大的差异，这不仅表现在随着n的变化，而且表现在相同化合物的IP总是比OP的D值小。因此，IP的Jeff大于OP，这与前人对配对强度的研究结果一致。因此，在同源序列中，D和Tc,max随着n的不同而变化很大的最终原因很可能与CuO2平面外的轨道有关，这表明铜酸盐中潜在的电子结构和轨道参数对称性之间存在相互作用。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add3672

转自：“iNature”微信公众号

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