欠掺杂铜氧化物中相位相干的中间态：半玻戈留玻夫子发现及其机制研究

《Nature Communications》：Half–Bogoliubons as the intermediate states for phase coherence in underdoped cuprates

针对欠掺杂铜酸盐中相位相干性建立机制这一关键问题，南京大学闻海虎团队通过扫描隧道显微谱学研究发现了一种仅呈现单侧相干峰的“半玻戈留玻夫子”激发态。该研究揭示了基于4a0×4a0方格内双空穴局域配对模型的相位相干新机制，为理解高温超导机理提供了重要实验证据。

　　

在探索高温超导机理的漫长征程中，科学家们一直致力于理解铜氧化物中电子配对和相位相干性的起源。与传统超导体不同，铜酸盐中超导现象出现在莫特绝缘体通过空穴掺杂后，其配对和相位相干并非同时发生。尤其是在欠掺杂区域，尽管超导现象已被实验证实，但相干峰往往非常微弱甚至不可见，这表明准粒子的相干权重极其脆弱。这一现象引出了一个核心科学问题：在预配对形成的背景下，相位相干性是如何在空间局域的空穴对之间建立起来的？

近日，南京大学李晗、王兆辉等人在《Nature Communications》发表的研究成果为这一难题提供了新的线索。通过对欠掺杂Bi₂Sr_2-xLa_xCuO_6+δ（La-Bi2201）体系进行高精度扫描隧道显微谱学（STM/STS）研究，团队发现了一种奇特的电子激发态——仅在一侧能量（正或负偏压）出现相干峰的“半玻戈留玻夫子”。这一发现为理解相位相干的建立过程提供了全新的视角。

研究团队主要运用了扫描隧道显微术/扫描隧道谱（STM/STS）技术，在1.5K极低温条件下对解理的La-Bi2201单晶样品进行测量。通过标准的锁相放大技术记录微分电导谱，并利用自相关分析等方法对获得的电子结构调制进行定量表征。样品采用旅行溶剂浮区法制备，其超导转变温度通过物理性质测量系统（PPMS）和超导量子干涉仪（SQUID）进行标定。

电子调制与半玻戈留玻夫子隧道谱

研究人员在欠掺杂La-Bi2201样品中清晰观测到4a₀×4a₀方格结构，每个方格内包含三条单向条纹。微分电导映射显示，在某些区域仅在一侧偏压（+15mV或-15mV）下出现亮条纹，而在另一侧偏压下的对应条纹则模糊不清。隧道谱测量进一步证实了这种粒子-空穴不对称性：在某些位置仅出现负能量相干峰（约-11mV），而在另一些位置仅出现正能量相干峰（约+11mV）。引人注目的是，将这两种不对称谱的对应部分合并或平均后，得到了具有对称相干峰的完整玻戈留玻夫子谱。

单向电荷条纹的局域粒子-空穴不对称性

通过高空间分辨谱学测量，研究团队发现沿特定方向（C1和C2）的电荷条纹表现出强烈的粒子-空穴不对称性。沿C1方向的条纹在正偏压下明亮且谱线显示正能量相干峰，而沿C2方向的条纹在负偏压下明亮且谱线显示负能量相干峰。在条纹背景区域测量的谱线则仅显示约±10mV处的扭折特征，缺乏尖锐相干峰。这种空间异质性直接反映了相位相干性的不均匀分布。

半玻戈留玻夫子的温度与磁场依赖性

温度演化实验表明，半玻戈留玻夫子峰在0.3-20K温度范围内被显著抑制，同时粒子-空穴对称的能隙特征随温度升高被态密度填充。然而，高达9T的垂直磁场对半玻戈留玻夫子峰没有明显影响，这一特性将其与传统超导相干峰区分开来，表明其尚未达到完全相位相干状态。

半玻戈留玻夫子与超导性的关系

基于4a₀×4a₀方格内双空穴局域配对模型，研究团队提出半玻戈留玻夫子对应于相位相干的中间态。正能量峰可解释为方格内多于两个空穴的空穴添加束缚态，而负能量峰则对应于单空穴占据方格的电子添加态。这些激发态反映了在局域配对背景下，通过空穴在相邻方格间的动态跳跃建立相位相干性的过程。

研究结论表明，半玻戈留玻夫子作为相位相干的中间态，揭示了欠掺杂铜酸盐中一种独特的相位相干建立机制。与传统BCS超导体中配对和相位相干同时发生不同，铜酸盐中需要通过局域空穴对之间电荷自由度的动态交换来实现长程相位相干。这一发现为理解高温超导机理提供了新的理论基础，开辟了通过研究局域配对和空穴动态跳跃来探索超导起源的新途径。该研究不仅深化了对强关联电子体系中超导现象的认识，也为未来设计新型超导材料提供了重要启示。