物理所学者一作！超导体，再登Nature Physics！

研究背景

伪间隙是铜氧化物超导体中最为复杂和令人困惑的现象之一，因其对理解配对机制至关重要而成为了研究热点。然而，伪间隙的本质仍存在诸多未解之谜，尤其是在低温下，自旋易感性随温度下降的变化仍无法明确解释。这一现象往往被认为是由反铁磁性（AFM）关联引起的，但自旋易感性在低温下会受到超导配对的影响，导致正常态的自旋易感性无法被准确测量。因此，如何揭示低温下伪间隙的真实物理机制，仍然是一个重大挑战。

成果简介

为了解决这一问题，法国图卢兹第三大学周睿（现中国科学院物理所），Marc-Henri Julien等在Nature Physics期刊上发表了题为“Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor”的最新论文。研究人员通过在高磁场下抑制超导性，成功地测量了YBa2Cu3Oy（YBCO）样品的自旋易感性，避免了超导性对数据的干扰。研究发现，低温下的自旋易感性呈现出两个热激活贡献，每个贡献来自不同的能隙，其中一个与短程电荷密度波（CDW）相关，另一个与自旋单重态的形成有关。

研究表明，这两种现象共同促成了低温下的伪间隙行为，并且补充了在高温下由短寿命反铁磁性引起的伪间隙。研究者进一步提出，伪间隙应被视为一种复合性质，且在不发生自旋条纹序的情况下，欠掺的铜氧化物倾向于形成短程自旋单重态。这些成果为伪间隙的理解提供了新的视角，并为铜氧化物超导体的配对机制研究开辟了新的方向。

研究亮点

1. 实验首次测量了YBa2Cu3Oy在低温下的自旋易感性，并通过高磁场抑制超导性，获得了关于正常态自旋易感性的关键数据。实验结果揭示了低温下自旋易感性随温度变化的激活行为，并提供了两个热激活贡献和一个残余成分的清晰描述。

2. 实验通过17O和89Y核磁共振（NMR）测量了自旋部分的Knight移位，并确定了伪间隙的形成机制。通过高磁场抑制超导性，发现了两个不同的能隙：一个低温能隙（ΔL）与短程电荷密度波（CDW）相关，另一个与自旋单重态的形成相关。残余成分Kres与无能隙激发有关，进一步验证了伪间隙的复合性质。

3. 实验揭示了伪间隙的复合性质，并提出伪间隙应视为短程电荷密度波、自旋单重态及反铁磁性相互作用的共同结果。研究发现，在不发生自旋条纹序的情况下，欠掺YBa2Cu3Oy材料倾向于形成短程自旋单重态，这为理解铜氧化物超导体的伪间隙行为提供了新的视角。

图文解读

图1: 在自旋磁化率中，具有能隙或赝能隙的系统示例。

图2: 自旋磁化率的温度和掺杂依赖性。

图3: 欠掺杂YBa2Cu3Oy双能隙现象学和相图。

结论展望

本文通过对YBCO体系中自旋间隙和伪间隙的研究，揭示了短程反铁磁（AFM）关联、CDW秩序及自旋单重态在伪间隙形成中的作用。研究表明，伪间隙不仅是由短程自旋单重态和CDW秩序引起的，还与低温下的反铁磁关联相关，提示伪间隙可能是多种物理现象的复合效应。这为理解YBCO中的伪间隙问题提供了新的视角，即不同的物理现象在不同掺杂浓度和温度下相互作用，共同影响伪间隙的形成和演化。

同时，本文还探讨了YBCO与其他高温超导体（如La-based铜氧化物）的对比，强调了不同材料中自旋秩序和CDW的异同。这些发现为未来的理论研究提供了重要线索，尤其是在单带Hubbard模型和类似材料的数值研究中，理论与实验之间仍存在一定的差距。因此，进一步的实验研究，尤其是高场NMR实验，将有助于深入理解YBCO中自旋和电子间的复杂相互作用及其对伪间隙的贡献。

文献信息

Zhou, R., Vinograd, I., Hirata, M. et al. Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor. Nat. Phys. (2024).

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/11/67ef84af7f/

物理所学者一作！超导体，再登Nature Physics！

相关推荐