王亚愚研究组在铜氧化物高温超导体的母体电子结构方面取得进展

2013年1月29日

王亚愚研究组在铜氧化物高温超导体的母体电子结构方面取得进展

自从1986年问世以来,铜氧化物高温超导体的超导机理一直是凝聚态物理学中最具挑战性的问题之一。尽管目前在理论上还存在很多争议,人们普遍认为这个体系的母体是由于电子强关联作用而形成的莫特绝缘体,而超导态来源于掺杂引入的载流子所形成的库伯对。因此,准确地描述莫特绝缘体母体的性质并揭示其中载流子的行为是理解高温超导电性的关键步骤之一。扫描隧道显微镜可以直接探测材料的电子结构以及单个掺杂电荷对局域电子态的影响,因此是研究这一问题的理想工具。然而,在氧化物绝缘体表面进行高精度扫描隧道显微镜测量存在技术上的种种困难,因此一直没有相关研究的报道。

最近,实验室博士研究生叶存、蔡鹏等在导师王亚愚教授的指导下,与中科院物理所靳常青教授研究组合作,利用扫描隧道显微镜对Ca2CuO2Cl2铜氧化物高温超导体的莫特绝缘母体进行了研究。他们的隧道电子谱测量揭示了跨越莫特绝缘能隙的完整电子结构,并发现上Hubbard能带及下Hubbard能带具有相似的谱重和相同的高斯线形。原子尺度分辨的谱测量显示其电子结构在实空间是均匀分布的,与局域的轨道特征没有明显关联。在此基础上,他们利用Ca2CuO2Cl2表面的氯原子缺陷研究了单个掺杂电荷的行为。扫描隧道谱测量发现掺杂电子在莫特能隙当中诱导了一个新的能态,同时上Hubbard带的谱重被压制,因此总体的谱重呈现从高能向低能的转移。此外,能隙中的电子能态强度以及谱重转移效应随离开杂质中心的距离快速衰减,因此掺入的电子在实空间内被强烈地局域在缺陷周围。这种局域化行为有可能来自于Mott绝缘体反铁磁自旋背景的阻挫,但对其具体行为的理解目前还需要进一步的理论研究。 这项实验工作所揭示的电子空穴对称性和电子结构实空间均匀性支持Zhang-Rice单能带理论对莫特绝缘体的描述,并为理解高温超导机理提供了一个有效的出发点。例如,进一步系统地研究不同掺杂浓度铜氧化物材料的谱学行为可以揭示低能的超导能隙是如何在莫特绝缘能隙内逐渐衍生出来,以及介于二者之间的赝能隙态起着怎样的作用。该研究成果以“Visualizing the atomic-scale electronic structure of the Ca2CuO2Cl2 Mott insulator”为题发表在近期的Nature Communications上。