近期，南京大學(xué)物理學(xué)院王達(dá)、王強(qiáng)華課題組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)五年的探索，終于找到了破解過(guò)摻銅氧超導(dǎo)體中電子"丟失"之謎的關(guān)鍵：氧空位。由于該頂角氧空位的存在，會(huì)使得電子感受到一種各向異性散射率，從而很自然的解釋幾年前超流密度和光電導(dǎo)的"反常"實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即電子并沒(méi)有"丟失"，而只是以一種特殊的方式"隱藏"了起來(lái)。

在2016年，人們?cè)谶^(guò)摻銅氧超導(dǎo)體LSCO中發(fā)現(xiàn)低溫下超流密度的變化正比于溫度，即，而零溫超流密度本身正比于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，即【I. Bozovicet al., Nature 536, 309 (2016)】。這兩個(gè)關(guān)系共存在當(dāng)時(shí)看來(lái)是與BCS理論相矛盾的，被稱(chēng)為"超導(dǎo)電子丟失"之謎【J. Zaanen, Nature 536, 282 (2016)】。而隨后在2018年，人們又對(duì)光電導(dǎo)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)即使在正常態(tài)，光電導(dǎo)譜權(quán)重也會(huì)隨著摻雜而下降，即正常電子也會(huì)"丟失"【F. Mahmood et al., Phys. Rev. Lett. 122, 027003 (2019)】。這兩個(gè)奇怪的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就對(duì)過(guò)摻銅氧超導(dǎo)體符合BCS理論這樣一個(gè)物理圖像提出了挑戰(zhàn)。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，王達(dá)副教授和王強(qiáng)華教授發(fā)現(xiàn)，只要正確的處理頂角氧空位所帶來(lái)的各向異性散射率，就可以調(diào)和上述所有的矛盾。這在物理上其實(shí)是很容易理解的：由于散射率在超導(dǎo)節(jié)點(diǎn)處降為零，因此低溫下超流密度隨溫度的線(xiàn)性變化行為不發(fā)生改變；而該無(wú)序的存在可以同時(shí)壓制和，這又與各向同性散射的效應(yīng)類(lèi)似。這樣就同時(shí)解釋了超流密度實(shí)驗(yàn)中所得到的兩個(gè)看似矛盾的線(xiàn)性關(guān)系。另一方面，計(jì)入各向異性散射也可以對(duì)正常態(tài)的光電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的擬合，從而使得正常電子的譜權(quán)重不再"丟失"。在材料計(jì)算方面，張海軍教授和其課題組的徐俊奇碩士生通過(guò)第一性原理的計(jì)算，也給出了支持LSCO中頂角氧空位的結(jié)論。

圖1：頂角氧空位所引起的各向異性散射率與總散射率的示意圖。

該成果以 "Anisotropic Scattering Caused by Apical Oxygen Vacancies in Thin Films of Overdoped High-Temperature Cuprate Superconductors"為題發(fā)表于Physical Review Letters 128, 137001 (2022)。該論文的第一作者為王達(dá)副教授，通訊作者為王達(dá)副教授和王強(qiáng)華教授，其他作者包括徐俊奇碩士生和張海軍教授。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助，也得到南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持，在此表示感謝。（來(lái)源：南京大學(xué)）