中山大學／清華大學同發Nature及Science，破解?30年難題

　　氧化銅材料的高溫超導機制在被發現30多年后仍然是一個謎。一種闡明這一點的方法是尋找銅家族中不同觀察結果之間的相關性。隨著銅族各晶胞中CuO2層數n的增加，最高轉變溫度(Tc,max)呈現出普遍的鐘形曲線，在n = 3處達到峰值。這種趨勢的微觀機制仍然難以捉摸。

　　2023年7月13日，清華大學朱靜及王亞愚共同通訊在Science 在線發表題為“Correlating the charge-transfer gap to the maximum transition temperature in Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ”的研究論文，該研究使用先進的電子顯微鏡對1≤n≤9的Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ族銅酸鹽的原子結構進行了成像；可以同時測量電荷轉移間隙尺寸(D)隨n的變化。該研究確定D的n依賴性遵循倒鐘形曲線，在n = 3時D值最小。D, n和Tc,max之間的關系可以澄清銅酸鹽中超導性的起源。總之，該研究為進一步提高銅超導體的工作溫度提供了設計原則。

　　另外，2023年7月12日，中山大學王猛及清華大學張廣銘共同通訊在Nature 在線發表題為“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”的研究論文，該研究在14.0 ~ 43.5 GPa的高壓電阻和相互感應磁化率測量中觀察到La3Ni2O7單晶的超導特征，最大Tc為80k。高壓下的超導相表現為Fmmm空間群的正交結構，Ni 陽離子的3dx2-y2和3dz2軌道與氧的2p軌道強混合。密度泛函理論計算表明，在費米能級下，由3dz2軌道和連接Ni-O雙層的頂端氧組成的σ-bonding帶的金屬化是與超導性同時出現的。因此，該研究不僅為Ruddlesden-Popper 雙層鈣鈦礦鎳酸鹽的高Tc超導性提供了重要線索，而且為研究高Tc超導機制提供了新的化合物家族。

　　確定超導轉變溫度(Tc)的普遍趨勢及其與其他物理參數的相關性可能為闡明超導的起源提供重要線索。例如，同位素效應其中M為同位素質量，在建立金屬和合金中常規超導的微觀理論時激發了聲子介導的配對圖。自從在氧化銅材料(稱為銅酸鹽)中發現高Tc超導性以來，人們在理解是什么控制Tc方面做出了相當大的努力。關于銅酸鹽中Tc的變化趨勢有兩種：一種是特定銅酸鹽化合物的Tc呈圓頂狀的摻雜依賴性，其中Tc的最大值(Tc,max)位于空穴濃度p ~ 0.16處。另一種是Tc的最大值隨同系中每單元細胞的CuO2平面數(n)的變化，當n =3時達到最大值。了解這些經驗法則背后的物理起源，可以最終解決銅的配對機制問題。

　　雖然第二種趨勢在許多銅族中仍然普遍存在，但第一種趨勢在三層銅族Bi2Sr2Ca2Cu3O10+σ (Bi-2223)中明顯違反，它在Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+σ族(Bi-族)化合物中具有最高的Tc，最大值為~115 K。最近的掃描隧道顯微鏡(STM)研究表明，在過摻雜狀態下，Bi-2223的超導間隙隨p單調減小。出乎意料的是，該摻雜范圍內的Tc呈現平臺而不是連續下降，很可能是由于存在兩種類型的不等效CuO2平面。相比之下，Bi-2223體系為研究Tc,max隨n的演變以及控制Tc,max的物理參數提供了理想的平臺。一個有希望的起點是銅酸鹽的莫特絕緣“母”態(p ~ 0)，其中電子結構可以用稱為電荷轉移間隙(CTG)D的單一參數來描述，其大小從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與d呈反相關關系，并進行了理論計算。然而，由于兩個主要障礙，尚未實現覆蓋整個同源銅系的測量。首先，很難在任何銅族中合成n≥4的高質量單晶，達到p ~ 0的極限更是難上加難。其次，當n≥3時，銅酸鹽的大部分光譜信息不能區分不同的CuO2平面。

　　該研究利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)和EELS技術對鉍族銅酸鹽的晶格構型和電子結構進行了逐層成像，覆蓋了前所未有的1≤n≤9的層結構范圍。該研究表明，不同頂環境的CuO2平面的D值有很大的差異，這不僅表現在隨著n的變化，而且表現在相同化合物的IP總是比OP的D值小。因此，IP的Jeff大于OP，這與前人對配對強度的研究結果一致。因此，在同源序列中，D和Tc,max隨著n的不同而變化很大的最終原因很可能與CuO2平面外的軌道有關，這表明銅酸鹽中潛在的電子結構和軌道參數對稱性之間存在相互作用。