科研人员发现铜氧超导体过掺杂存在普遍电荷序

北京大学物理学院量子材料科学中心彭莹莹课题组运用先进的共振X射线散射谱学技术，在铜基超导La₂-_xSr_xCuO₄超导区域外过掺杂区发现电荷有序相——“电荷晶体”，打破了该区域通常被认为是空间均匀的费米液体的图像，给高温超导机理研究带来了新的思路。近日，该成果在线发表于《物理评论快报》。

铜氧高温超导体问世37年以来，一直是凝聚态物理研究的重要问题之一，但其超导机理仍不清楚。铜氧高温超导体的母体是反铁磁莫特绝缘体，对其掺杂可以出现一个拱形的超导区域。过去的研究主要集中在欠掺杂到最佳掺杂区域。近年来，人们发现欠掺杂区域的载流子（空穴或电子）可以组织成规则的结构，打破晶格原本的平移对称性，形成了新的周期性排布，这种状态被称为电荷序或者电荷密度波。实验发现，铜氧超导材料中电荷序与超导态存在竞争关系，利用磁场和压力对电荷序的调控可以直接影响超导态的行为。研究发现，过掺杂区域依然存在较强的电子关联作用。因此，以过掺杂区域作为出发点理解超导性的出现或许可以提供新的思路。

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受访者供图

彭莹莹课题组运用弹性和非弹性共振X射线散射技术的铜L边和氧K共振边，发现过掺杂La₂-_xSr_xCuO₄（0.35≤x≤0.6）电荷序的散射信号，表明电荷序来自于铜氧层电荷的贡献，与欠掺杂区域的电荷序具有类似的动量方向和偏振依赖关系。不同之处在于过掺杂电荷序的周期为6倍晶胞常数，关联长度为20倍晶格常数，沿c方向的周期不同，并且基本不随温度变化。实验还观测到反常的声子强度现象，表明电荷序存在带色散的激发，和声子发生了干涉效应。这些结果重塑了我们对铜氧超导体相图的理解，证明了过掺杂的金属相出现了有序化的倾向，表明电荷序在相图中极其普遍存在。超导穹顶的两侧存在电荷序和反铁磁相很有启发性，表明铜氧化物的非常规超导性可以被视为从反铁磁相或电荷序中出现的新兴相。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.116002