研究背景
高溫超導銅氧化物（如YBa2Cu3Oy）因其在超導性和正常態性質方面的獨特行為，長期以來一直是凝聚態物理領域的重要研究對象。這些材料因其應用前景廣泛，特別是在量子計算、超導電子器件和高效能傳感器等領域，成為研究的熱點。與傳統的金屬或半導體材料相比，銅氧化物具有顯著的高溫超導性，能在遠高于液氮溫度的環境下展現超導特性，具有巨大的潛在應用價值。然而，這些材料的正常態性質和偽間隙行為仍然是理解其超導機理和提升性能的重大挑戰之一。偽間隙（pseudogap）現象是指在銅氧化物中，超導性形成之前，材料的自旋易感性（χspin）隨溫度降低而減小的行為，這一現象至今沒有得到統一的解釋。盡管自旋易感性的減小通常被認為與反鐵磁相關性（AFM）有關，但這一過程是否僅僅由反鐵磁效應引起，仍然存在爭議。更復雜的是，超導配對的存在會掩蓋低溫下正常態的自旋易感性，使得對偽間隙的進一步研究變得困難。為了應對這一挑戰，研究者們嘗試通過高磁場抑制超導性，并測量在低溫下的自旋易感性，從而分離出正常態和超導態的貢獻。為了解決這一問題，法國圖盧茲第三大學Rui Zhou（現中國科學院物理研究所），Marc-Henri Julien等在“Nature Physics”期刊上發表了題為“Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor”的最新論文。該團隊通過在高磁場下抑制YBa2Cu3Oy中的超導性，成功測量了該材料在低溫下的自旋易感性。研究發現，材料的自旋易感性呈現出兩個熱激活的能隙貢獻，每個貢獻源自不同的能隙，而另有一部分殘余成分來自無能隙的激發。研究人員進一步將這兩個能隙與短程電荷密度波（CDW）和自旋單重態的形成聯系起來，提出這兩種現象共同促成了低溫下的偽間隙行為。此外，這一發現也補充了高溫下反鐵磁性的短壽命效應，推動了對偽間隙現象更深入的理解。 該團隊的研究工作通過高磁場的調控和精確的核磁共振（NMR）技術，揭示了偽間隙不僅僅是反鐵磁性造成的簡單現象，而是由多種物理效應共同作用的結果。通過這一研究，科學界對銅氧化物中偽間隙的形成機制有了新的認識，并為設計更高性能的超導材料提供了重要的理論支持。
研究亮點
1.實驗首次測量了YBa2Cu3Oy在低溫下的自旋易感性，并成功抑制了超導性。通過應用高磁場，抑制了YBa2Cu3Oy中的超導配對效應，研究人員首次能夠在低溫下準確測量其自旋易感性。該實驗利用了17O和89Y核磁共振（NMR）技術，測量了YBa2Cu3Oy的Knight移位（Kspin），從而獲得了與自旋易感性（χspin）相關的數據。實驗的關鍵在于通過高磁場去除了超導性影響，使得得到的Kspin數據能夠忠實反映正常態下的自旋易感性。
研究發現，YBa2Cu3Oy在低溫下的自旋易感性呈現出兩個熱激活貢獻，每個貢獻來自不同的能隙。通過擬合實驗數據，發現低溫行為可以通過帶隙ΔL來精確描述，并且這個能隙與短程電荷密度波和自旋單重態的形成有關。研究提出，偽間隙應被視為復合性質，包含了不同的物理現象，而不僅僅是由反鐵磁性（AFM）相關性引起的。特別地，低摻雜銅氧化物在未發生自旋條紋序的情況下，更傾向于形成短程自旋單重態，進而在低溫下補充了偽間隙的表現。 2.實驗通過不同摻雜濃度的樣品，實驗表明Kspin的低溫行為與摻雜水平密切相關。隨著摻雜濃度的增加，Kspin的殘余值（Kres）也隨之增加，這表明隨著摻雜的變化，偽間隙的成分和特征發生了變化。此外，實驗發現該系統在短程CDW有序區間內表現出與溫度和摻雜水平相關的明顯變化，這為深入理解銅氧化物中偽間隙的形成機制提供了新的視角。
圖文解讀
圖1: 在自旋磁化率中，具有能隙或贗能隙的系統示例。圖3: 欠摻雜YBa2Cu3Oy雙能隙現象學和相圖。
總結展望
本文的研究揭示了YBCO材料中自旋空隙的形成機制，指出其由短程反鐵磁（AFM）相關性、短程密度波（CDW）秩序以及自旋單重態貢獻。這為偽空隙（pseudogap）現象提供了新的理解，表明偽空隙不僅僅是由單一物理過程引起的，而是多種物理效應共同作用的結果。文章提出，YBCO的偽空隙狀態可能與其晶格的正交性、比其他銅氧化物（如La基體）更強的單重態形成傾向、以及可能的不同CDW周期性密切相關。這些結果提示，材料的微觀結構和電子相互作用在決定超導材料的電子行為上扮演了關鍵角色。此外，研究強調了實驗與數值模擬之間的差異，特別是在自旋條紋的形成問題上，呼吁更多高場NMR等實驗手段來深入探討這一問題。總的來說，本文的研究為理解高溫超導材料中復雜電子態的形成提供了新的視角，并為未來的理論與實驗研究指明了方向。 Zhou, R., Vinograd, I., Hirata, M. et al. Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor. Nat. Phys. (2024).https://doi.org/10.1038/s41567-024-02692-w
