顶刊快讯，专注Nature Science!

 

▲第一作者：Zechao Wang，Changwei Zou通讯作者：Yayu Wang，Jing Zhu通讯单位： 清华大学，季华实验室（佛山）, 新基石科学实验室量子信息前沿科学中心（北京）DOI：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add367201研究背景确定超导转变温度 (Tc) 的普遍趋势及其与其他物理参数的相关性可为阐明超导性的起源提供重要线索。

例如，同位素效应 Tc∝M-0.5 ，其中 M 是同位素质量，这启发了声子介导的配对原理，从而建立了金属和合金中常规超导性的微观理论自从发现氧化铜材料（称为铜酸盐）的高温超导性以来，人们在了解控制 Tc

 的因素方面付出了相当大的努力铜酸盐中的 Tc 有两个公认的趋势：一是特定铜酸盐化合物的 Tc 的圆顶形掺杂依赖性，其中最大 Tc (Tc,max) 位于空穴浓度 p ∼ 0.16处另一个是Tc,max。

随同系列中每个晶胞的CuO2面数(n)的变化，当n=3时达到最高了解这些经验规则背后的物理起源可能导致铜酸盐配对机制问题的最终解决方案虽然，随着铜酸盐族每个晶胞中的CuO2 层数 n 的增加，最大转变温度 (T。

c,max) 呈现出常见的钟形曲线，其峰值位于 n = 3但是，这种趋势的微观机制仍然难以捉摸02研究问题本研究使用先进的电子显微镜对 Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+δ 族（1 ≤ n ≤ 9）中铜酸盐的原子结构进行成像；可以同时测量电荷转移间隙尺寸 (Δ) 随 n 的变化。

本研究确定 Δ 的 n 依赖性遵循倒钟形曲线，其中 Δ 值在 n = 3 时最小Δ、n 和 Tc,max 之间的相关性可以用于阐明铜酸盐超导性的起源。 

▲图1| 1 ≤ n ≤ 9 的 Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+d 铜酸盐的 Tc,max 和原子分辨晶体结构要点：1.图1a中用橙色粗线表示了双族铜酸盐的Tc，max随n的演变，它表现出一种普遍的钟形趋势。

由于STEM技术的高空间分辨率，可以清楚地显示层状原子结构，如图1B所示，对于最佳掺杂的Bi-2223样品内CuO2面(IP)中的每个铜原子形成面内CuO4斑块，而在外CuO2面(OP)中，构型为带有一个顶氧的CuO

5金字塔(图1B，右)以前的一些研究表明，IP和OP的不同环境可能会对它们的超导性质产生深刻的影响，但它们的层分辨电子性质仍有待揭示2.图1C到K，显示了一系列高质量的断层扫描电镜图像，其中Bi2Sr2

Can-1CuO2n+4+δ和1≤n≤9都被识别出来本研究通过仔细搜索十几个Bi-2223样本获得了n≥3的数据，其中包括每个晶胞有四个或更多CuO2平面的非常稀缺的区域由于铋系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单元中，即BiO/SRO电荷储存层和CuO。

2层。本研究使用的方法论为研究多层铜酸盐打开了一扇门。

▲图2|使用 STM 和 STEM-EELS 的Δ技术探测要点：1.铜酸盐的电子能带结构由面内Cu 3dx2−y2和掺杂的O 2Px/2py轨道很好地表征在Zaanen-Sawatzky-Allen的方案中，未掺杂的铜酸盐是电荷转移型Mott绝缘体，其中最低能量的激发是从铜位的O电荷转移带(CTB)到未占据的上Hubbard带(UHB)，如图2A所示。

2.图2B显示了n=1、2和3的三种绝缘铋系铜酸盐的扫描隧道显微镜光谱，其中可以清楚地提取出热电阻带和超高阻带之间的Δ值结果在前人研究的基础上扩展到n=3，并揭示了相同的趋势，即Δ从Bi-2201的1.5 eV单调下降到Bi-2212的1.0 eV和Bi-2223的0.7eV。

3.在空穴掺杂后，CTB出现了一个额外的特征，被称为张-赖斯单线(ZRS)带(图2C)这一特征可以归因于掺杂空穴的杂化状态，该空穴包括一个Cu-3d和四个最近的O-2p轨道在这种情况下，扫描隧道显微镜光谱的主要特征是光谱权重从高能向低能转移，并逐渐形成伪隙；Δ值变得不那么明确。

然而，ZRS和UHB中心之间的能量差仍然是表征电荷转移能的有效参数，它几乎不随掺杂的变化而变化4.最先进的STEM-EELS是测量这种峰到峰CTG的理想技术，其中图2D中的光谱峰值表明将芯级电子激发到图2C中未占据的ZRS和UHB的可能性很大，类似于O K-edge的X射线吸收光谱(XAS)(O 1s核心电子的激发能量到空态)。

特别是，中心位于528.5 eV左右的ZRS峰(图2D，红色虚线)与XAS技术的测量结果十分吻合ZRS峰在铜酸盐中对掺杂、温度和材料具有很强的抵抗力

▲图3|双族铜酸盐中 Δ与 n 的演化要点：1.为了研究Δ尺寸如何随着每单位晶胞的CuO2层数的变化而变化，本研究进一步确定了1≤n≤9(图3A和B)的O K-edge的STEM-EELS本研究用相同的n在不同的区域重复测量10次，以提高统计稳健性。

为了清楚起见，本研究只显示了OP层的平均光谱；IP层的平均光谱和总体趋势如图3C和D所示，这清楚地表明Δ的n依赖关系表现为倒钟形曲线，在n=3时最小Δ=1.8 eVΔ的n依赖关系与Tc，max之间存在明显的反相关关系。

对于n≥3的所有阶段，IP的Δ值小于OP的Δ值，但对n的依赖关系相同(图3D)

▲图4|Δ、n 和 Tc,max 之间的相关性要点：1.STEM-EELS和STM相结合的结果触及了关于Tc，max与n的钟形演化的中心问题，这在所有铜酸盐家族中都是普遍的从理论上看，先前的一项研究提出，约瑟夫森隧穿和竞争电子有序之间的神秘平衡是潜在的物理机制。

本研究的结果表明，在这一经验规则中起决定性作用的是CTG，它与Tc，max相比呈现出倒钟形的趋势这一结论得到了以能带中心(EELS和XAS)和边缘(STM)之间的能量尺度为特征的Δ一致性的支持本研究总结了图4中不同实验探头的CTG尺寸。

STM和EELS之间的差异显示了~1 eV的刚性位移，这是由有限的带宽引起的03结语本研究表明，具有不同顶端环境的CuO2平面具有非常不同的Δ，这不仅体现在随n的演化中，而且还体现在IP的Δ尺寸总是小于相同化合物的OP的尺寸。

因此，IP的Jeff大于OP的，这与以前对配对强度的研究一致因此，同源系列中不同n的Δ和Tc，max变化很大的最终原因很可能与CuO2平面外的轨道有关，这表明在CuO2中潜在的电子结构和轨道参数对称性之间存在相互作用。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add3672相关推荐1. 仪器表征基础知识汇总2. SCI论文写作专题汇总3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

4. 理论化学基础知识汇总5. 催化板块汇总6. 电化学-电池相关内容汇总贴7. 研之成理名师志汇总更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。

免责声明：本站所有信息均搜集自互联网，并不代表本站观点，本站不对其真实合法性负责。如有信息侵犯了您的权益，请告知，本站将立刻处理。联系QQ：1640731186