通訊作者：沈志勛院士、李東海院士、Makoto Hashimoto教授通訊作者單位：斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校在摻雜的n型Nd2-xCexCuO4. 銅酸鹽化合物中，發(fā)現(xiàn)由長程有序的反鐵磁能夠重建費米面，因此形成了具有小型Fermi口袋（Fermi pocket）的反鐵磁性金屬。有鑒于此，斯坦福大學(xué)沈志勛院士、Makoto Hashimoto教授、加州大學(xué)伯克利分校李東海院士等通過角分辨XPS表征技術(shù)發(fā)現(xiàn)在欠摻雜區(qū)間（underdoped Regime）的大部分區(qū)域都具有一個異常的能帶，這個異常能帶比反鐵磁能帶低一個數(shù)量級。而且當處于最佳的摻雜情況與超導(dǎo)能帶實現(xiàn)非常平滑的連接。作者通過與相圖結(jié)合并且考慮所有已知的排序可能性趨勢，認為欠摻雜狀態(tài)的n型銅酸鹽產(chǎn)生的常規(guī)型能帶來自庫伯對（Cooper pairing）。常規(guī)能帶的高溫部分能夠改善設(shè)計n型銅酸鹽材料，發(fā)展更具有更高轉(zhuǎn)變溫度的n型銅酸鹽超導(dǎo)材料，從而達到p型銅酸鹽的水平。 Nd1.89Ce0.11CuO4的電子結(jié)構(gòu)圖1. Nd1.89Ce0.11CuO4的電子結(jié)構(gòu)研究x=0.11時，Nd2-xCexCuO4組成為Nd1.89Ce0.11CuO4的電子結(jié)構(gòu)。在x=0.11時，材料具有長程反鐵磁的磁序，磁化率測試結(jié)果顯示，不具有整體超導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在8 K時，費米能級附近具有恒定能量的光電發(fā)射強度。費米能級附近20 meV的能態(tài)是由位于（0，π）電子口袋產(chǎn)生。分別在三個不同位置繪制能量-動量關(guān)系圖。在布里淵區(qū)附近，最大的重構(gòu)價帶位于費米能級以下的~50 meV處。這種能量分離是反鐵磁能帶（ΔAF），由于ΔAF內(nèi)沒有明確的色散行為，因此無法定義費米動量（kF）的數(shù)值。為了消除干擾，作者使用費米能級的動量分布曲線的峰值（kpeak）定義費米面的位置。當kpeak接近重構(gòu)口袋時，反鐵磁能帶ΔAF的中心的位置由高于費米能級降低到低于費米能級的位置，在接近布里淵區(qū)的邊緣的色散表現(xiàn)了非常明顯的費米能級交叉，從而能夠用于確定費米動量（kF）。 圖2.Nd1.89Ce0.11CuO4的低能量能譜通過欠摻雜n型銅酸鹽中發(fā)現(xiàn)的正常帶隙（NSG）結(jié)構(gòu)，作者確定其在相圖中的位置。將摻雜導(dǎo)致的布里淵區(qū)邊界能帶變化以及Tfill（間隙填充的熱力學(xué)溫標，表示光譜中沒有形成明顯的雙峰）的變化作圖。作圖給出的結(jié)果顯示，NSG帶隙結(jié)構(gòu)發(fā)生的位置在（0，π）費米面，因此在半填充狀態(tài)NSG帶隙不會轉(zhuǎn)變?yōu)镸ott帶隙。 相圖表現(xiàn)了Tmin（電阻在Tmin溫度達到最小值）現(xiàn)象，超導(dǎo)圓頂區(qū)域的電阻增加現(xiàn)象是由于磁場抑制了超導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生。通過相圖達到以下結(jié)論：（i）在欠摻雜樣品中的電阻最小溫度與Tfill的變化情況一致，（ii）反鐵磁能帶的開啟溫度和能量尺度比Tfill和ΔNSG高一個數(shù)量級，（iii）在大多數(shù)摻雜的樣品中，電荷密度波相關(guān)性的產(chǎn)生溫度（通過X射線散射表征或者RXS得到）明顯高于Tfill溫度，而且摻雜的趨勢與Tfill正好相反。圖3.Nd2-xCexCuO4體系的低能量能譜隨摻雜量改變的變化隨后進一步研究NSG能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)反鐵磁性并不是導(dǎo)致產(chǎn)生NSG能帶產(chǎn)生的直接原因，因此認為NSG能帶有可能是電荷密度波（CDW）導(dǎo)致。通過研究NSG隨著CDW信號變化的變化，發(fā)現(xiàn)ΔNSG與CDW之間隨著摻雜和溫度變化呈現(xiàn)相反的規(guī)律，說明CDW也不是導(dǎo)致產(chǎn)生NSG帶隙的直接原因。根據(jù)摻雜導(dǎo)致CDW Q波部分的變化趨勢遵循布里淵區(qū)的邊緣費米動量的變化，說明CDW對NSG具有間接的影響。 通過對ΔNSG與ΔSC變化之間的規(guī)律、ΔNSG的粒子-空穴對稱性現(xiàn)象，作者猜測NSG是一種成對的能帶（pairing gap）。作者分別對s波對稱性和d波對稱性進行研究，發(fā)現(xiàn)s波和d波具有不同的特點，d波對稱性在費米能級面具有各向同性的特點，s波對稱性產(chǎn)生節(jié)點型帶隙結(jié)構(gòu)。作者討論了NSG的成對機理。發(fā)現(xiàn)費米面的平行區(qū)域之間的電子散射的聲子能夠?qū)е翪DW成對和d波成對。通過電子-聲子散射開啟了d波成對和s波成對。但是由于電子之間相互排斥作用的影響，在能量上更容易發(fā)生d波成對。研究結(jié)果說明，欠摻雜區(qū)域的n型銅酸鹽具有獨特的NSG能帶（常規(guī)帶隙，normal-state gap）。如果NSG能帶像作者文中認為的那樣具有成對特點，有可能對超導(dǎo)材料研究產(chǎn)生重大意義。因為，ΔNSG的高溫特點和較高的帶隙能量值說明有可能產(chǎn)生高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，而且形成的高溫超導(dǎo)有可能達到p型銅酸鹽具有的高溫超導(dǎo)溫度（這是因為，人們通常認為n型銅酸鹽無法產(chǎn)生高溫超導(dǎo)的原因是庫伯對的遷移率非常低）。作者認為通過進一步的理論和實驗有助于理解對稱性和成對的微觀機理能夠調(diào)控費米面。 沈志勛，男，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)講席教授，斯坦福大學(xué)SLAC國家實驗室首席科學(xué)家，美國國家科學(xué)院院士，美國人文和科學(xué)院院士。1962年7月生于浙江，1983年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，1989年獲美國斯坦福大學(xué)博士學(xué)位。2017年當選為中國科學(xué)院外籍院士。 沈志勛院士在凝聚態(tài)物理和復(fù)雜材料研究中做出了開創(chuàng)性工作，是學(xué)術(shù)界公認的凝聚態(tài)物理領(lǐng)域國際一流科學(xué)家。他獲得物理領(lǐng)域一些最重要的國際獎項：斯隆基金會研究員獎（1993）；美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)杰出成就獎（1994）；美國物理學(xué)會百年大慶特邀演講（1999）；2000年獲首屆國際超導(dǎo)實驗物理最重要的大獎：H. Kamerlingh Onnes Prize；2009年獲美國能源部代表美國總統(tǒng)頒發(fā)的科學(xué)大獎：Ernest Oland Lawrence Award；2011年獲美國物理學(xué)會的凝聚態(tài)物理的最高獎：Oliver E. Buckley Prize。沈志勛院士發(fā)展并開拓了電子的能量、動量、自旋、時間和空間的高精密測量及其在凝聚物理學(xué)及其相關(guān)的交叉學(xué)科的應(yīng)用。為某些學(xué)科的興起發(fā)揮了關(guān)鍵性的、有的是決定性的作用。特別是他對現(xiàn)代角分辨光電能譜的發(fā)展和對銅基超導(dǎo)體和其他量子材料的認知做出了開拓的貢獻，改變了強關(guān)聯(lián)材料的研究格局。他還在現(xiàn)代光源和自由電子激光以及量子材料原位生長領(lǐng)域均做出了重要的貢獻，對未來凝聚態(tài)物理、材料、能源、信息等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展具有很大潛力。沈志勛教授先后在Nature, Science，Review of Modern Physics, Physical Review Letters等國際頂尖雜志上已經(jīng)發(fā)表高水平論文1320余篇，論文被SCI總引用超過7萬次，其中單篇被引用>1000次超過10篇；H因子128。他的奠基性工作和學(xué)術(shù)帶頭人作用被國際同行普遍認可，先后在重要學(xué)術(shù)會議上做邀請報告300多次，是國際上該領(lǐng)域領(lǐng)軍人物。他培養(yǎng)的學(xué)生和博后現(xiàn)已有35位成為國際知名大學(xué)的教授，包括加州大學(xué)伯克利分校,康奈爾大學(xué), 約翰霍普金斯大學(xué)，普林斯頓大學(xué)，德州大學(xué)奧斯汀分校，東京大學(xué)，東京工業(yè)大學(xué)，大阪大學(xué), 巴黎大學(xué)，牛津大學(xué)、日內(nèi)瓦大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等。 李東海（Dung-Hai Lee），加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授。Dung-Hai Lee教授于臺灣清華大學(xué)畢業(yè)。1977年赴麻省理工學(xué)院攻讀研究生，1982年獲物理學(xué)博士學(xué)位。在麻省理工學(xué)院又進行兩年研究，他在1984年加入了IBM T.J. Watson研究中心。1994年2月加入 加利福尼亞大學(xué)伯克利分校。2023年當選美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。Dung-Hai Lee教授是一位理論凝聚態(tài)物理學(xué)家。他研究的主要目標是發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)狀態(tài)并了解它們的物理性質(zhì)。Ke-Jun Xu et al., Anomalous normal-state gap in an electron-doped cuprate.Science 385,796-800(2024)DOI: 10.1126/science.adk4792https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4792
