铜氧化物高温超导体自1986年被发现以来，其超导机理一直是凝聚态物理学中的科学难题之一。普遍认为，铜氧化物高温超导电性源于对其核心铜氧面的化学掺杂。因此，直接探测铜氧化物超导体铜氧面的电子结构，特别是阐明超导电子配对函数的对称性和配对媒介对理解铜氧化物高温超导机理具有重要的科学意义。

       近年来，物理系宋灿立、马旭村和薛其坤等致力于发展并利用氧化物分子束外延技术制备无限层结构的铜氧化物单晶薄膜，聚焦于其所呈现出的核心铜氧面的性质表征，并已经在Sr_1-x(La, Nd)_xCuO₂体系中揭示了铜氧面莫特电子结构随电子和空穴两种载流子掺杂的演化规律（https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1052/4144.htm）。最近，他们又通过对电子掺杂的精确控制获得了超导的Sr_1-xNd_xCuO₂外延薄膜，并利用同时具有空间和能量高分辨本领的低温扫描隧道显微镜/谱对其铜氧面的形貌和超导能隙进行了原位测量，揭示了样品具有无能隙节点类s-波的电子配对对称性的特征（图1）。更为重要的是，在较宽能量范围的扫描隧道显微谱中，他们观察到在超导能隙之外还存在由于电子-玻色子强耦合导致的多个dip-hump-peak结构。系统分析这些玻色子对应的能量以及与超导能隙的关系，他们确定性地证明了这些玻色子激发分别对应于铜氧面面外的声子振动模式（~ 20 meV）、面内Cu-O键的弯曲（~ 45 meV）和伸缩（~ 72 meV）的声子振动子模式（图2）。空间依赖的扫描隧道谱也进一步揭示了样品的电子结构和超导能隙的空间分布，并验证了上述结论。

图1：无限层铜氧化物Sr_1-xNd_xCuO₂(0.080 <x<0.107)超导薄膜的输运测量和超导能隙测量

图2：无限层铜氧化物中的电声子耦合及三种声子振动模式Ω_1,2,3

       该成果的取得得益于该研究团队长期致力于高温超导体微观机理研究所做的努力。他们曾于2012年和2016年分别在钛酸锶衬底和Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x衬底上首次制备出单层FeSe (Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012))和CuO₂(Sci. Bull. 61, 1239 (2016))薄膜，并均观察到无能隙节点的电子配对性质，尤其是在单层FeSe/SrTiO₃体系中发现的界面增强的高温超导电性吸引了国内外高温超导领域的极大关注。无限层铜氧化物Sr_1-xNd_xCuO₂超导薄膜的研究成果承前启后，进一步揭示了高温超导体核心超导面可能具有电声子耦合导致的类s波配对对称性。这些实验结果也已在电子掺杂区间更宽的无限层铜氧化物单晶薄膜Sr_1-xEu_xCuO₂(0.062 <x<0.246)上得到了进一步验证（https://arxiv.org/abs/2205.01844）。如果能够进一步推广到其它铜氧化物高温超导体系，将会对其超导微观机理的解决具有重要的推动作用。

      由于电子配对对称性对理解铜氧化物高温超导微观机理的重要意义，该研究成果以“Direct observation of nodeless superconductivity and phonon modes in electron-doped copper oxide Sr_1-xNd_xCuO₂”为题发表在2022年5月2日的《国家科学评论》（National Science Review）上。物理系博士生范嘉琪为论文的第一作者。该工作还得到了物理系张定副教授等合作者的大力支持。该研究项目得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、教育部量子信息前沿科学中心和清华大学低维量子物理国家重点实验室的资助。

       文章链接：https://academic.oup.com/nsr/article/9/4/nwab225/6462933