铜氧化物高温超导体具有非常强的配对相互作用和较低的超流密度，因此超导库珀对的形成和长程相位相干的建立有可能分为两步进行。此前的结果表明在欠掺杂区域，铜氧化物超导转变温度对应于相位相干温度。基于此，相位涨落理论在唯象层面对高温超导体的相图给出了很好的解释。然而，对于局域超导配对和长程相位关联建立的微观过程还缺乏充分的理解。

       物理系王亚愚研究组利用扫描隧道显微镜对欠掺杂的单层铜氧化物Bi₂Sr₂CuO_6+δ(Bi-2201)进行了系统的实验研究。他们的结果表明，即便在绝缘相中依然存在着棋盘格子电荷序，这一观察排除了依靠能带嵌套解释铜氧化物中电荷序起源的假设。在此基础上，他们发现在欠掺杂的绝缘态和超导态中，棋盘格子电荷序呈现出极其相似的结构，它们均以4倍晶格常数为周期且伴随着内部的条纹相。有趣的是，低能隧道电导谱表明即使在绝缘态中，在电荷序聚集的区域就已经出现了类似于配对能隙的电子谱特征。进一步在谱学成像的傅里叶变换分析中，他们发现起源于d波配对的波戈留波夫准粒子干涉现象在绝缘样品的棋盘格子区域已经出现，只是因为强烈的相位涨落准粒子几乎没有色散。在对电荷聚集区域的棋盘格子数量进行计数后，他们发现棋盘格子的数量和掺杂的空穴数量比值接近2，即平均而言每个棋盘格子容纳2个空穴。这进一步表明，即使在欠掺杂的绝缘态，局域的超导配对已经存在于具有棋盘格序的电荷聚集区域。每个包含2个空穴、具有4倍晶格参数大小的棋盘格子可以看作是超导配对的基本单元，而其内部的条纹相对超导配对具有显著的影响。此时体系整体表现为绝缘态的主要原因是由于自发的相分离，其中依然存在大量未掺杂的莫特绝缘体相，因此超导棋盘格之间无法建立长程相位相干。随着空穴浓度的增加，当棋盘格子的覆盖度不断增加并超过一定的阈值时，长程相位相干开始建立，体系最终进入到高温超导相。因此，在欠掺杂区域绝缘态到超导态的量子相变主要来源于局域库珀对之间长程相位相干的建立。

       这项工作利用原子尺度电子结构成像研究揭示了铜氧化物超导体中局域超导配对的出现以及长程相位相干的建立，这为从掺杂莫特绝缘体的角度理解高温超导微观机理提供了重要的新线索。该成果以“The emergence of global phase coherence from local pairing in underdoped cuprates”为题发表在6月14日的Nature Physics上。该项工作是与中科院物理所的周兴江研究组合作，并得到国家自然科学基金委、科技部以及新基石科学基金会的支持。物理系博士生叶树森为文章的第一作者，物理系博士生邹昌炜、冀豫、徐妙、董泽昊参与了该项工作。

       https://www.nature.com/articles/s41567-023-02100-9