超燃！八旬院士，2023年连发Nature/Science，破解近30年超导难题！

人物介绍

朱静，清华大学教授、清华大学校务委员会委员。1995年当选为中国科学院院士，2007年当选为发展中国家科学院院士。朱静院士是我国分析电子显微学领域的学术带头人之一，长期从事应用和发展电子显微学方法，在合金钢、高温合金、金属和合金及其氧化物粉末颗粒、铁电陶瓷等材料领域，进行精细结构的检测、分析和材料的结构与性能关系研究。在上世纪60年代末至80年代末，她系统的进行了超高强度马氏体时效钢的合金化原理、强韧化本质等一系列应用基础研究。

朱静院士提出了纳米区域有序度的测定方法和原理，发现了在加硼富镍的Ni3Al晶界存在无序区；近年，她的研究组从事于球差校正电子显微学研究和发展纳米结构制备与特性检测表征的综合技术，并从事工程材料及其部件的研制。在一维纳米材料和原型器件的制备及尺度与结构和性能关系研究等方面有创新性成果；相关研究被邀请在国内外学术会议上作大会报告和特邀报告三十余次；发表在 Science, PRL, Nano Letters, Advanced Materials, Angew. Chem，Acta Materialia, 等学术刊物的论文约300篇。获国家科技进步奖、自然科学奖及冶金部、中国科学院、国家教委科技进步奖等九项奖励及何梁何利科技进步奖。和合作者主编我国在分析电子显微学方面的第一部专著《高空间分辨分析电子显微学》和《纳米材料和器件》等书籍。获国家发明专利六项。

简介网站：https://www.mse.tsinghua.edu.cn/info/1023/1043.htm

成果简介

氧化铜材料中高温超导的机理在最初被发现30多年后仍然是一个谜。阐明这一点的一种方法是寻找铜酸盐家族中不同可观察量之间的相关性。作为CuO₂的数量层数n，在铜酸盐族的每个晶胞中增加，最大转变温度（T_C,max）表现出一条通用钟形曲线，其峰值在 n=3 处。这种趋势的微观机制仍然难以捉摸。

在这项研究中，清华大学朱静院士与王亚愚教授使用先进的电子显微镜对Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ家族中铜酸盐的原子结构进行了成像。可以同时测量电荷转移间隙尺寸（Δ）随n的演化，确定D的n依赖性遵循一个倒钟形曲线，D值在n = 3。Δ、n、T_C,max之间的相关性可以阐明铜酸盐中超导性的起源。

值得注意的是，朱静院士年初联合复旦大学车仁超教授和北京大学李源副教授已经Nature上发表了以“Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor”为题的论文，首次阐述了在PG状态下的未掺杂铜酸盐YBa₂Cu₃O_6.5中直接观察到的拓扑自旋纹理。

相关文章以“Correlating the charge-transfer gap to the maximum transition temperature in Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ”为题发表在Science上。

研究背景

确定超导转变温度（T_c）及其与其他物理参数的相关性可能为阐明超导性的起源提供关键线索。例如，同位素效应中，其中M是同位素质量，启发了声子介导的配对图，以建立金属和合金中常规超导性的微观理论。自从在氧化铜材料（称为铜酸盐）中发现高高温超导性以来，在理解控制Tc的因素方面做出了相当大的努力。

关于铜酸盐中的Tc有两个确定的趋势：一种是特定铜酸化合物Tc的圆顶形掺杂依赖性，其中最大Tc（T_C,max）位于孔浓度p~0.16；另一种是Tc随同源序列中每个晶胞CuO₂平面数（n）的变化最大，当n =3时变化最大。了解这些经验规则背后的物理起源可能会有助于铜酸盐配对机制问题的最终解决方案。

虽然第二种趋势在许多铜酸盐家族中仍然普遍存在（图1A），但在三层铜酸盐Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ中显然违反了第一种趋势。在Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ化合物中具有最高的Tc，最大~115 K。

最近的扫描隧道显微镜（STM）研究表明，在过掺杂状态下，Bi-2223的超导间隙随p单调减小。出乎意料的是，在这个掺杂范围内的T_c表现出不是连续下降，很可能是由于存在两种不等的CuO₂平面。

相比之下，Bi-2223系统为研究T_C,max的演化和控制T_C,max的物理参数提供了一个理想的平台。先前在Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ和Ca_n+1Cu_nO_n+2Cl₂的n=1和2中表明，Tc，max与D无关，并结合了理论计算。

然而，由于两个主要障碍，覆盖整个同源铜酸盐系列的测量尚未实现。首先，在任何一个铜酸盐家族中，都难以合成高质量的n≥4单晶，甚至更难以达到p ~ 0的极限。其次，大部分关于铜酸盐的光谱信息不能区分n≥3的不同CuO₂平面。

主要内容

通过使用先进的电子显微镜的发展使人们能够实现通过深度（本文定义为沿晶体c轴）成像，并进行高空间（亚埃）分辨率的电子能量损失光谱（EELS）实验。因此，能够对受限晶胞的固有结构和电子特性进行局部探针。作者使用扫描透射电子显微镜（STEM）和EELS技术直接成像双族铜酸盐的逐层晶格结构和电子结构，覆盖了一个1≤n≤9的前所未有层结构范围。

基于1≤n≤9成像双族化合物的原子结构

在图1A中，双族铜酸盐的T_C,max与n的演化用橙色线表示，显示了普遍的钟形趋势。由于STEM技术的高空间分辨率，可以清晰地看到层状原子结构，对于最佳掺杂的Bi- 2223样品，如图1B所示。

内部CuO₂平面（IP）中的每个Cu原子形成一个平面内的CuO₄格子，而在外部CuO₂平面（OP）中，其结构是一个具有一个顶端氧的CuO₅金字塔（图1b，右）。先前的一些研究表明，IP和OP的不同环境可能会对它们的超导性能产生深远的影响，但它们的层分辨电子性能仍有待揭示。

图1C~K显示了一系列高质量的横截面STEM图像，其中Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ均为1≤n≤9。作者或通过在十几个Bi-2223样本中仔细搜索获得了n≥3的数据，这些样本包括非常稀缺的区域，每个单元格有4个或更多的CuO₂平面。

由于双族铜酸盐的准二维性质，最近的研究表明，所有基本的电子性质都包含在一个晶胞、BiO/SrO电荷储层和CuO₂层中，这为研究多层铜酸盐打开了一扇大门。

图1. Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ铜酸盐的T_C,max和原子分辨晶体结构

图2. 使用STM和STEM-EELS技术探测Δ

图3. 双族铜酸盐中Δ与n的演化过程

图4. Δ，n，和T_C,max之间的相关性

综上，本文使用电子能量损失光谱法测量一类铋基铜酸盐中的电荷转移间隙，该铜酸盐在晶胞中具有不同数量的氧化铜平面。测得的间隙与最大转变温度呈负相关，为进一步提高铜酸盐超导体的工作温度提供了设计原理。

研究表明，CuO₂具有不同顶端环境的平面具有非常规的Δ，这不仅体现在n的演化中，而且IP总是比同一化合物的OP具有更小的Δ尺寸。因此，IP的J_eff大于OP，这与之前对配对强度的研究一致。

因此，Δ和同源序列中不同n的Tc,max有很大差异，其最终原因很可能与CuO₂平面外的轨道有关，表明铜酸盐的潜在电子结构和轨道参数对称性之间存在相互作用。

文献信息

Zechao Wang†, Changwei Zou†, Chengtian Lin, Xiangyu Luo, Hongtao Yan, Chaohui Yin,

Yong Xu, Xingjiang Zhou, Yayu Wang*, Jing Zhu*, Correlating the charge-transfer gap to the maximum transition temperature in Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4+δ. Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.add3672

原创文章，作者：菜菜欧尼酱，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/12/28/9da7ae9856/

超燃！八旬院士，2023年连发Nature/Science，破解近30年超导难题！

相关推荐