铜氧化物高温超导体Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ的扫描隧道显微学研究

The superconducting mechanism of high temperature cuprate superconductors has not been solved yet, which was believed to relate to the following two aspects. On the one hand, the localized electronic state of cuprate exhibits spatial inhomogeneous on nanoscale, making accurate resolution in real space impossible by macroscopic measuring technique. On the other hand, cuprate superconductors are very complex, their physical properties change greatly with different material system, doping content, temperature and magnetic field. Therefore, comparative studies of quasi particle information of vast material systems in real and momentum spaces are necessary for the understanding of cuprates. Furthermore, the superconducting transition temperature increases with increasing Cu-O layers in unit cell, and reaches maximum in trilayer cuprate, So the multilayer materials and their physical properties are important contents of high temperature superconducting physics research. In this project, we will investigate superconducting state, pseudogap state, in-gap state of heavily underdoped samples and quasi particle scattering using scanning tunneling microscopy with characteristic of low temperature, high magnetic field and steady temperature variation, in order to deepen the understanding of high temperature cuprate superconductors.

铜氧化物高温超导体的超导机理至今尚未解决，主要有两方面的原因：一方面，铜氧化物高温超导体的局域电子态在纳米尺度上存在不均匀性，这就使得宏观的测量手段无法进行精确的实空间分辨；另一方面，铜氧化物高温超导体比较复杂，物理性质随着不同材料体系、掺杂含量、温度以及磁场等都会发生很大变化。因此对这类材料的理解需要对大量不同体系的样品进行实空间和动量空间的准粒子信息的对比研究。同时，超导转变温度随着单胞内铜氧面层数的增加而增加，在三层超导材料中达到最大值，所以多层超导体材料及其物理性质是高温超导物理研究的重要内容。在本项目中，我们将利用能够实现低温、强磁场、稳定持续变温的扫描隧道谱仪来直接探测高温超导体Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ的超导态、赝能隙态、重欠掺杂样品中的in-gap state以及表面准粒子散射等性质，加深对铜氧化物高温超导体机理的理解。

铜基超导体的超导机理至今尚未解决，归因于铜基超导材料的复杂性以及其中多种复杂的有序态的竞争和共存。而弄清楚超导态、赝能隙态、电荷有序态等随着载流子掺杂的演化规律，对理解各种有序相的本征物理性质和相互关系是非常重要的，也是明确铜氧化物超导机理的前提条件。在本项目中，我们选择超导转变温度最高的Bi系材料——Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ，合成从重度欠掺杂到最佳掺杂等多个掺杂含量的Bi2223单晶，并利用低温、强磁场扫描隧道谱仪探测其中超导态、赝能隙态、电荷有序态等性质，研究这些有序相随载流子浓度的演化规律，加深对铜氧化物高温超导体机理的理解。通过项目实施，我们成功合成了三种具有不同超导转变温度（重度欠掺杂Tc=30K、适度欠掺杂Tc=66K和最佳掺杂Tc=100K）的Bi2223单晶并对其进行了详细的STM测量，得到了一系列完善、高质量的实验数据，包括表面形貌、超导能谱、赝能隙能谱、高分辨准粒子干涉等，初步弄清楚了这些有序相随载流子浓度的演化规律，回答了项目中的一些关键科学问题，基本完成了项目的研究内容。同时，根据项目实施过程中遇到的问题和困难，我们采用和发展了几种新的方法和手段，包括通过表面钾原子掺杂进一步调节样品载流子浓度、生长单层膜直接探测超导功能层CuO2层的性质以及采用截面STM方法探测铜基超导体不同功能层的物理性质，这些都为下一步的实验研究打下良好基础。项目在国际 SCI 期刊上发表论文 1 篇（Chinese physics letter 33，127402 (2016)），该结果发表后受到该领域的广泛关注。多篇文章还在撰写过程中，培养博士生 3 人。