通訊作者：Takeshi Kondo（東京大學）；Kazuyasu Tokiwa（東京理科大學）1. 探索了一個長期懸而未決的科學問題：銅酸鹽材料中超導產生機理和材料結構/組成之間的關系。2. 首次在實驗中明確觀測到Fermi口袋結構，并伴隨著非常小的超導能隙（趨近于0）。超導是一種無電阻的量子相關態，在傳感、強電磁體、計算等領域有用武之地，一些材料由于一些還不明確的原因產生超導作用，其中銅基材料目前具有最高的超導態轉換溫度，并且多種銅基材料的超導溫度超過了液氮的沸點。銅酸鹽中本征并沒有超導性，銅酸鹽表現出的超導是通過不同相互糾纏的相互競爭且同時存在的電子相結構產生的。雖然目前人們發現了數百種銅酸鹽超導體材料，但是目前大多數關于銅酸鹽相關的研究局限在少數幾個化合物中。銅酸鹽材料超導作用是如何產生的？機理是什么？了解這些機制，對于我們開發更多新型高溫超導材料具有重要指導作用。有鑒于此，東京大學Takeshi Kondo、東京理科大學Kazuyasu Tokiwa等人報道了一種五元銅酸鹽Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2材料，并對銅基高溫超導體的超導機理進行了探索。通常的銅酸鹽材料中單胞中有1~2層CuO2，而Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2中有5層CuO2，并且彼此有所區別。通過表面態表征和塊體材料表征相結合，對銅酸鹽超導作用中長期懸而未決的問題提供了理解，具體上在實驗中首次明確觀測到Fermi口袋結構，并伴隨著非常小的超導能隙（趨近于0），該結構對超導作用可能有非常重要的作用。加州大學戴維斯分校Inna Vishik在Science撰文總結并評述了該研究的重要意義。圖1. Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2材料結構和超導機理銅酸鹽的性質通常可以使用摻雜方法調節載流子濃度進行調控，其中空穴摻雜方法能夠在銅酸鹽中提供了正電荷并獲得最高的超導轉換溫度。此外，其他種類超導材料，包括重費米子材料、有機超導體、鐵基超導體等，其中的超導態非常接近反鐵磁序（antiferromagnetic order）。這個結果說明，在不同類型銅酸鹽中存在著類似的超導機理，即和反鐵磁相關的動態激勵（dynamic excitations）從而促進電子組成庫珀對狀態。但是，這種銅酸鹽材料的電子結構、超導態角度分析空穴摻雜作用仍未得到深入理解。銅酸鹽中都含有CuO2面，并起到關鍵性的超導作用，摻雜的電子、空穴轉移到CuO2面中，同時銅酸鹽中元素替代主要發生在CuO2層之間，并作為電荷貯存層CRL（charge-reservoir layer）。這種銅酸鹽中含有兩個、三個相鄰CuO2面具有最高的超導轉換溫度，其中一個或多個CuO2面并未與電荷貯存層CRL相鄰，因此CuO2的畸變作用得以緩解，同時摻雜量更低。圖2. 角分辨光電子能譜表征費米口袋（Fermi Pocket）電子結構東京大學Takeshi Kondo、東京理科大學Kazuyasu Tokiwa等通過量子振蕩、角分辨光電子能譜方法對Cu2O層中的長程反鐵磁性進行測試，發現在強磁場和無磁場中有類似的基態，在布里淵區（π/2，π/2）附近發現較小的Fermi口袋結構，同時d波超導能帶在口袋附近打開，說明超導和反鐵磁序在CuO2層中同時存在，超導的產生不需要在波腹區域（π，0）附近的貢獻。通過Fermi面的大小和位置對反鐵磁性進行表征，從而對零能量電子激發的軌跡進行研究，該Fermi面對超導作用的起源非常重要。超導能隙和束縛于費米面的激發相關，并反映了破壞庫珀電子對所需要的能量，從而為超導態提供載流子。Ba2Ca4Cu5O10(F,O)2材料中的超導能隙在CuO2面外有分布，這個現象說明CuO2面并不僅僅起到靠近超導面，并且能夠增強超導作用（盡管CuO2同時具有反鐵磁性）。總之，這項研究深入探索了銅酸鹽材料超導作用機制，為開發更多新型高溫超導材料提供了重要借鑒。1. SoKunisada, Kazuyasu Tokiwa*, Takeshi Kondo* et. al. Observation of small Fermipockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor,Science 2020, 369, 833-838DOI：10.1126/science.aay7311https://science.sciencemag.org/content/369/6505/8332. InnaVishik* A coexistence that CuO2 planes can see, Science 2020, 369,775-776DOI:10.1126/science.aba9482https://science.sciencemag.org/content/369/6505/775
