近日，beat365官方网站量子材料科學中心彭瑩瑩課題組與國内外合作者對極度欠摻雜銅氧化物Bi2212進行研究。通過将共振非彈性X射線散射譜學與掃描隧道顯微學兩類實驗技術結合，該工作系統地揭示了該材料體系從電荷有序态向高溫超導态演化過程，指出了“扭曲鍵”聲子(bond-buckling phonon)與超導電子對凝聚現象的重要關聯，為高溫超導機理研究及相關實驗領域開展提供了新的思路。2024年9月4日，該成果以“Bi₂Sr₂(Ca,Dy)Cu₂O_8+δ中電荷有序絕緣體到高溫超導體的演變”（Evolution from a charge-ordered insulator to a high-temperature superconductor in Bi₂Sr₂(Ca,Dy)Cu₂O_8+δ）為題，在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

自銅氧化物高溫超導體發現三十多年來，對于其“非常規性”的理解一直是領域内研究前沿、被認為對高溫超導的機理研究具有關鍵作用。在已識别的非常規現象中，超導電子對的形成與凝聚過程在溫度和摻雜自由度上是分開的，這一點與傳統BCS超導明确不同。因此，理解超導電子對的形成與凝聚過程中的物理現象将會加深對高溫超導非常規性的理解。 過去研究者通過掃描隧道顯微學實驗發現，銅氧化物的表面電子态在極低摻雜區間的莫特絕緣相就已經形成了電荷序(Cai, P. et al., Nat. Phys.12, 1047 (2016))，并且很可能存在未凝聚的超導電子對(Ye, S. et al., Nat. Phys. 10.1038/s41567–023–02100–9 (2023))。然而，這種存在預配對的電荷序絕緣體尚未通過其他實驗，特别是對材料體探測技術驗證。此外，關于預配對的電子是如何凝聚的、關鍵物理過程是什麼，也仍然沒有得到很好的理解。

為了回答這些問題，彭瑩瑩研究組與清華大學物理系王亞愚教授、英國Diamond同步輻射線站周克瑾研究員和中國科學院物理研究所周興江研究員合作，對超導起始摻雜點(p=0.05)前後的Bi₂Sr₂(Ca,Dy)Cu₂O_8+δ（Bi2212）高溫超導材料進行研究，覆蓋相圖中的大範圍溫度(5K-273K)區間（圖1a）。通過将高能量、動量分辨率的體電子探測技術（共振非彈性X射線散射譜，RIXS）與高實空間分辨率的表面電子探測技術（掃描隧道顯微譜，STM）相結合，研究人員首次觀察到絕緣相(p=0.04)中存在體态的電荷序，該電荷序從相圖高溫區就已存在，電荷序的調制與赝能隙在實空間一緻、電荷序的波矢與表面态測量結果一緻，這些物理特征奠定了超導電子對形成的土壤。随着溫度降低，絕緣相的電荷序（圖1 b）和“拉伸鍵”聲子(bond-stretching phonon)耦合強度（圖1 d）均連續演化，而“扭曲鍵”聲子(bond-buckling phonon)在較高摻雜(p=0.06)下産生突變（圖1 c）、伴随體系進入超導相形成超導能隙，顯示其與超導電子對凝聚過程的重要關聯。這些關鍵物理現象共同闡明了Bi2212體系中由電荷序絕緣體向高溫超導體演化的全過程，為高溫超導中電子對的形成和凝聚研究提供了全新的物理理解和實驗分析思路（圖2）。

圖1.（a）實驗相圖研究區間。（b）電荷序随溫度演化。（c）bond-buckling phonon強度随溫度演化。（d）bond-stretching phonon強度随溫度演化。

圖2.（a）電荷序波矢随摻雜濃度演化。（b）電荷序及bond-buckling phonon電荷激發。（c）進入超導相後形成超導能隙。

beat365官方网站量子材料科學中心“博新計劃”博士後鄒昌炜（已出站）為文章第一作者、彭瑩瑩助理教授和王亞愚教授為論文的共同通訊作者。該項研究中的RIXS實驗得到了周克瑾小組的支持，STM實驗得到了王亞愚教授課題組支持，實驗研究中用到的高質量Bi2212單晶由周興江研究員課題組提供。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金和中國博士後科學基金支持。

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52124-9