在铜氧化物高温超导体中，空穴掺杂浓度超过一定程度时将导致超导转变温度降低直至消失，而关于这一过程的物理机制目前还没有共识。最近有实验研究表明，在过掺杂的铜氧化物中，超流密度和传统的BCS理论预期相比存在反常的大量缺失，并且超流密度与转变温度存在一定的比例关系。揭示过掺杂区域超流密度缺失的成因有可能为高温超导消失的机理提供重要线索。

       王亚愚研究组利用扫描隧道显微镜对单层铜氧化物Bi₂Sr₂CuO_6+δ(Bi-2201) 的过掺杂区域进行了实验研究，覆盖的空穴浓度从轻微欠掺杂一直到极度过掺杂的不超导区域。如图1所示，在过掺杂的铜氧化物中，费米能上存在一组主要分布在反节点区域的准粒子波矢，这支准粒子的能量演化具有和正常态载流子相同的能带色散结构，而与d波的波戈留波夫准粒子的预期明显不符。通过对隧道电子谱在实空间中的聚类分析，他们发现这支准粒子在全空间均有分布，因此不是来源于微观的相分离。这些实验证据表明，过掺杂的铜氧化物中存在一支无能隙且有能量色散的正常态准粒子，其谱权重随着空穴浓度增加而加强，而与温度无关，从而与传统二流体模型中由热涨落产生的正常态准粒子完全不同。

图1.(a)过掺杂不超导样品中的零能量准粒子干涉图案。（b）紧束缚能带准粒子干涉图案的理论模拟。（c）铜氧化物中的紧束缚能带。（d-h）从最佳掺杂到高度过掺杂的样品中的零能量准粒子干涉图案。（i）从实验结果中提取的过掺杂铜氧化物的能带结构。（j）过掺杂样品超导转变温度和零能准粒子干涉图案的强度随着空穴浓度的演化。

       此前有理论表明，d波超导体相邻的反节点之间具有相反的序参量相位，因此无磁性的杂质散射也会产生破坏超导配对的效应(如图2(a))。在过掺杂区间，费米能逐渐靠近位于反节点的范霍夫奇异性带来电子态密度的极大值点，进一步增加了杂质的散射率。以上实验观测的结果均与这个理论图像吻合，因此这种与温度无关的杂质散射产生的正常态流体是过掺杂铜氧化物的一个重要特征，在量子基态可以与超导态中的库珀对凝聚体共存(如图2(b))。这种正常流体的存在自然的解释了过掺杂铜氧化物中的各种反常实验现象，包括超流密度的缺失、未凝聚的Drude峰、剩余的低温电子比热和输运中的双成分流体行为。更重要的是，该结果从一个全新视角，提供了过掺杂铜氧化物超导体中超导库珀对被破坏、超导态被压制的微观机理，为理解从超导态到金属态的量子相变提供了重要的新线索。

图2. (a) 具有相反序参量符号的两个反节点间的拆对散射。(b)在过掺杂超导体中无能隙的正常态准粒子和超导凝聚体的共存。

       该成果以“Emergent normal fluid in the superconducting ground state of overdoped cuprates”为题发表在6月14日的Nature Communications上。该项工作是与加州大学伯克利分校的Dung-Hai Lee教授、中科院物理所周兴江研究组和李自翔研究员合作，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。清华大学物理系博士生叶树森为文章的第一作者，物理系博士毕业生徐妙、邹昌炜、冀豫、李昕彤、郝镇齐参与了该项工作。

       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49325-7.pdf