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物理所學(xué)者一作!超導(dǎo)體,再登Nature Physics!

研究背景
偽間隙是銅氧化物超導(dǎo)體中最為復(fù)雜和令人困惑的現(xiàn)象之一,因其對理解配對機(jī)制至關(guān)重要而成為了研究熱點(diǎn)。然而,偽間隙的本質(zhì)仍存在諸多未解之謎,尤其是在低溫下,自旋易感性隨溫度下降的變化仍無法明確解釋。這一現(xiàn)象往往被認(rèn)為是由反鐵磁性(AFM)關(guān)聯(lián)引起的,但自旋易感性在低溫下會受到超導(dǎo)配對的影響,導(dǎo)致正常態(tài)的自旋易感性無法被準(zhǔn)確測量。因此,如何揭示低溫下偽間隙的真實(shí)物理機(jī)制,仍然是一個重大挑戰(zhàn)。
成果簡介
為了解決這一問題,法國圖盧茲第三大學(xué)周睿(現(xiàn)中國科學(xué)院物理所),Marc-Henri Julien等在Nature Physics期刊上發(fā)表了題為“Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor”的最新論文。研究人員通過在高磁場下抑制超導(dǎo)性,成功地測量了YBa2Cu3Oy(YBCO)樣品的自旋易感性,避免了超導(dǎo)性對數(shù)據(jù)的干擾。研究發(fā)現(xiàn),低溫下的自旋易感性呈現(xiàn)出兩個熱激活貢獻(xiàn),每個貢獻(xiàn)來自不同的能隙,其中一個與短程電荷密度波(CDW)相關(guān),另一個與自旋單重態(tài)的形成有關(guān)。
研究表明,這兩種現(xiàn)象共同促成了低溫下的偽間隙行為,并且補(bǔ)充了在高溫下由短壽命反鐵磁性引起的偽間隙。研究者進(jìn)一步提出,偽間隙應(yīng)被視為一種復(fù)合性質(zhì),且在不發(fā)生自旋條紋序的情況下,欠摻的銅氧化物傾向于形成短程自旋單重態(tài)。這些成果為偽間隙的理解提供了新的視角,并為銅氧化物超導(dǎo)體的配對機(jī)制研究開辟了新的方向。
物理所學(xué)者一作!超導(dǎo)體,再登Nature Physics!
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次測量了YBa2Cu3Oy在低溫下的自旋易感性,并通過高磁場抑制超導(dǎo)性,獲得了關(guān)于正常態(tài)自旋易感性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了低溫下自旋易感性隨溫度變化的激活行為,并提供了兩個熱激活貢獻(xiàn)和一個殘余成分的清晰描述。
2. 實(shí)驗(yàn)通過17O和89Y核磁共振(NMR)測量了自旋部分的Knight移位,并確定了偽間隙的形成機(jī)制。通過高磁場抑制超導(dǎo)性,發(fā)現(xiàn)了兩個不同的能隙:一個低溫能隙(ΔL)與短程電荷密度波(CDW)相關(guān),另一個與自旋單重態(tài)的形成相關(guān)。殘余成分Kres與無能隙激發(fā)有關(guān),進(jìn)一步驗(yàn)證了偽間隙的復(fù)合性質(zhì)。
3. 實(shí)驗(yàn)揭示了偽間隙的復(fù)合性質(zhì),并提出偽間隙應(yīng)視為短程電荷密度波、自旋單重態(tài)及反鐵磁性相互作用的共同結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),在不發(fā)生自旋條紋序的情況下,欠摻Y(jié)Ba2Cu3Oy材料傾向于形成短程自旋單重態(tài),這為理解銅氧化物超導(dǎo)體的偽間隙行為提供了新的視角。
圖文解讀
物理所學(xué)者一作!超導(dǎo)體,再登Nature Physics!
圖1: 在自旋磁化率中,具有能隙或贗能隙的系統(tǒng)示例。
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圖2: 自旋磁化率的溫度和摻雜依賴性。
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圖3: 欠摻雜YBa2Cu3Oy雙能隙現(xiàn)象學(xué)和相圖。
結(jié)論展望
本文通過對YBCO體系中自旋間隙和偽間隙的研究,揭示了短程反鐵磁(AFM)關(guān)聯(lián)、CDW秩序及自旋單重態(tài)在偽間隙形成中的作用。研究表明,偽間隙不僅是由短程自旋單重態(tài)和CDW秩序引起的,還與低溫下的反鐵磁關(guān)聯(lián)相關(guān),提示偽間隙可能是多種物理現(xiàn)象的復(fù)合效應(yīng)。這為理解YBCO中的偽間隙問題提供了新的視角,即不同的物理現(xiàn)象在不同摻雜濃度和溫度下相互作用,共同影響偽間隙的形成和演化。
同時,本文還探討了YBCO與其他高溫超導(dǎo)體(如La-based銅氧化物)的對比,強(qiáng)調(diào)了不同材料中自旋秩序和CDW的異同。這些發(fā)現(xiàn)為未來的理論研究提供了重要線索,尤其是在單帶Hubbard模型和類似材料的數(shù)值研究中,理論與實(shí)驗(yàn)之間仍存在一定的差距。因此,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究,尤其是高場NMR實(shí)驗(yàn),將有助于深入理解YBCO中自旋和電子間的復(fù)雜相互作用及其對偽間隙的貢獻(xiàn)。
文獻(xiàn)信息
Zhou, R., Vinograd, I., Hirata, M. et al. Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor. Nat. Phys. (2024).

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