高度过掺杂CuO₂中无节点高温超导电性理论

在铜基高温超导体中，一个广泛的共识就是超导来源于2维CuO ₂ 面。从80年代发现铜基高温超导体起，大量的实验表明铜基超导是一个存在节点的d波配对超导体，其中著名的实验包括美国IBM实验室崔章琪等人在三晶约瑟夫森结中发现的自发量子化磁通实验[1]。2016年，清华大学薛其坤院士团队成功地利用分子束外延技术在d波Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O₈ δ (Bi2212)超导衬底上生长出单层CuO ₂ 面[2]. 不同于在d波超导体中的节点V型局域态密度，扫描电子显微镜（STM）在单层CuO ₂ 面上发现无节点U型局域态密度。这一实验结果对铜基高温超导体中已经广泛认可的CuO ₂ 面d波配对超导体提出新的挑战。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算重点实验室胡江平研究员（T06组）与美国波士顿学院汪自强教授、波士顿学院蒋坤博士后和德国维尔茨堡大学吴贤新博士后（物理所博士）合作，通过理论计算发现在Bi2212上的单层CuO ₂ 面是一个多轨道引起的全能隙，无节点高温超导体。首先，密度泛函理论计算表明，CuO ₂ /Bi2212界面上存在着大量的电荷转移，使得CuO ₂ 单层高度过掺杂到3d ⁸ Cu ₃ 状态附近。在常规铜基超导中，Cu处于3d ⁹ Cu ₂ 状态附近。通常可以通过构建单带以 \(d_{x^{2}-y^{2}}\) 为主的Zhang-Rice单态描述CuO 2 的电学性质。但在3d ⁸ Cu ₃ 状态情况下，Cu的 \(d_{x^{2}-y^{2}}\) 和 \(d_{3z^{2}-r^{2}}\) 轨道都变得很重要。通过构建一个e g 两轨道模型发现高度过掺杂CuO ₂ 单层存在两个不同费米面。在布里渊区中心Γ点和边角M点，分别存在一个电子型费米面（Γ）和一个空穴型费米面（M）。借鉴铁基超导中S ± 波配对经验，CuO ₂ 单层同样也可以得到S ± 波配对。鉴于自旋自由度和轨道自由度都起重要作用，自旋轨道交换作用会产生具有延展S波配对对称性，并且能隙与块体d波能隙可比的无节点超导体[3]。这些结论与清华大学薛其坤院士团队实验吻合。这一研究为高度过掺杂区铜基超导，尤其是臭氧环境下过渡金属氧化物异质结提供新的研究方向。

相关研究结果发表在近期的《物理评论快报》上，（Phys.Rev.Lett.121,227002(2018)）。该研究得到了科技部（2017YFA0303100，2015CB921300）、国家自然科学基金委（1190020，11534014，11334012）以及中科院（XDB07000000）的资助。

参考文献：

[1]C.C. Tsuei et al., Phys. Rev. Lett. 73,593(1994).
[2]Y. Zhong et al., Sci. Bull. 61, 1239 (2016)

[3]K. Jiang, X. X. Wu, J. P. Hu, Z. Q. Wang, Phys. Rev. Lett. 121, 227002(2018).