对多层铜氧化物高温超导体的角分辨光电子测量揭示本征电子相图与电子配对机制 | 进展
中科院物理所 · 科学与科普
SC7组 2026-09-06 19:00 北京 铜氧化物高温超导体的母体是反铁磁莫特绝缘体，超导电性通常通过掺杂载流子实现。 长期以来，极低掺杂浓度（<0.05）下体系究竟呈现绝缘性还是金属性，一直是核心争议之一。单层和双层体系的输运测量显示该区域为绝缘态，但此类材料中CuO₂面易受临近载流子库层缺陷的影响，其绝缘行为是否代表本征电子相图尚不明确。多层铜氧化物（四层及以上）因内层CuO₂面远离缺陷源，可有效屏蔽无序，是研究本征相图的理想平台，然而高质量多层单晶极为稀缺，制约了相关研究的深入。 近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的周兴江和赵林团队利用具有 微米空间分辨和二维动量探测能力的高分辨激光角分辨光电子能谱 ，巧妙借助三层Bi2223样品中天然存在的不同层数共生相，通过大面积微区扫描，成功定位并探测了含5至8层CuO₂面的Bi系单晶微区，系统 建立了极低掺杂下的本征电子结构 。核心发现有三点：其一，在所有多层体系的最内层和次内层CuO₂面上均清晰观测到费米口袋，掺杂浓度低至0.007时依然存在，有力证明极微量掺杂即可使母体发生从莫特绝缘体到金属态的突变；其二，最内层费米口袋无能隙，而次内层则展现各向异性的超导能隙；其三，次内层超导能隙最大达33 meV，表明在长程反铁磁序共存下，CuO₂面已实现强电子配对。研究表明，此前单层和双层体系中观察到的低掺杂绝缘行为应归因于无序导致的载流子局域化，而非本征属性。结合平均场t-U模型， 团队成功模拟了观测到的费米口袋与能带结构，进一步揭示配对相互作用与超交换自旋耦合机制密切关联，为理解铜氧化物超导配对机理提供了关键线索。 图. （左）6层Bi系铜氧化物超导体的多个费米口袋的费米面。（中）围绕费米口袋不同动量方向的典型能带结构。（右）干净铜氧面的本征相图。 上述成果以“Persistent Fermi pockets and robust electron pairing in lightly doped CuO₂ planes of cuprate superconductors”为题，于2026年6月4日发表在《Nature Communications》上。物理所博士生陈浩、史聚民、李颖昊和罗翔宇为共同第一作者，周兴江院士与赵林研究员为共同通讯作者。德国马普固体研究所林成天教授提供高质量Bi2223单晶，向涛院士提供理论支持。本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项（B类）、量子科学与技术创新项目及中科院青年创新促进会资助，部分工作在综合极端条件实验装置（SECUF）支持下完成。 文章链接 原文.pdf Supporting Information.pdf 编辑：LYang 近期热门文章Top10 ↓ 点击标题即可查看 ↓ 1. 15分钟一局的王者荣耀，成了数学博士生的避难所。 2. 你每天都在吃，它们居然是国家保护植物？！ 3. 做磁共振检查，忘了摘“999足金”的金镯子，万万没想到…… 4. 耗资3000万美元的救援任务彻底失败，雨燕天文台正在坠向地球 5. 北方的暖气片，在夏天为什么不能灌冷水变“冷气”？ 6. 一滴雨水，电压竟能超过1000伏？它甚至可能把金属“电坏” 7. 体长11600光年，碳总量是全人类的6倍，这类隐秘的生物用了四亿多年，生长成了自然界的地基 8. 要吃到树莓里的这种糖，地球可能得先挨顿揍？ 9. “中国人能飞”！人要多长的翅膀才能飞？要怎么飞？ 10. 俗话说，“响屁不臭，臭屁不响”，有科学道理吗？ | No. 526 点此查看以往全部热门文章 阅读原文 跳转微信打开