邻近效应诱导的三层铜酸盐极度欠掺杂CuO2平面中的节点金属态

《Nature Communications》：Proximity-induced nodal metal in an extremely underdoped CuO2 plane in triple-layer cuprates

本刊推荐：为解决铜酸盐超导体中赝能隙起源及层间耦合对超导性的影响问题，研究人员通过角分辨光电子能谱（ARPES）对三层Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ开展系统性研究。发现内层CuO2平面在极端欠掺杂条件下仍存在Δ0~80-100 meV的d波超导能隙，且该能隙在Tc以上仍保持点节点特征，形成"节点金属"态。这一现象源于外层近最优掺杂平面产生的强邻近效应，为理解多层铜酸盐中Tc随层数变化的规律提供了关键实验证据。

　　

在高温超导研究领域，铜酸盐材料始终是探索奇异量子现象的重要平台。随着层数增加，这类材料展现出令人费解的行为：当CuO₂平面从单层增加到三层时，超导转变温度T_c显著提升，但在四层及以上反而下降。这一现象暗示着层间相互作用可能扮演着关键角色，但其中的微观机制一直笼罩在迷雾之中。

传统观点认为，铜酸盐中的赝能隙相通常表现为费米弧——即动量空间中部分闭合的费米面。然而，在极端欠掺杂区域，理论预测可能存在更奇异的电子态。三层铜酸盐Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δ（Bi2223）为此提供了独特的研究机会，其内层CuO₂平面（IP）处于极端欠掺杂状态，而两个外层平面（OP）则接近最优掺杂，形成了天然的"三明治"结构。这种不对称的掺杂分布为研究层间邻近效应创造了理想条件。

研究人员通过角分辨光电子能谱（ARPES）对Bi2223样品进行了系统研究，覆盖从欠掺杂（UD64、UD70、UD75、UD80）到最优掺杂（OPT110）和过掺杂（OD110）的宽掺杂范围。实验采用同步辐射光源（UVSOR-III和HiSOR）的低能光子（7-18.5 eV）进行体敏感测量，能量分辨率达到5-7 meV。样品通过TSFZ（旅行溶剂浮区法）生长，并通过两步退火精确控制掺杂水平。

内层平面中的巨型d波能隙

研究发现，在欠掺杂样品（如UD80）的内层CuO₂平面中，尽管空穴浓度极低（约5%），却观测到前所未有的巨大d波超导能隙，幅值高达Δ₀~80-100 meV。这一数值远超常规铜酸盐中的能隙大小，甚至超过了BCS理论预测的极限。

节点金属态的发现

更令人惊讶的是，这一d波能隙在超导转变温度T_c以上仍然存在，且保持点节点特征，形成了所谓的"节点金属"态。在T_c<><>_pair（T_pair~100-150K）的温度区间内，系统表现出完整的点节点，而非传统赝能隙相中的费米弧。

电子-空穴对称性的证据

在节点金属态中，ARPES谱在费米能级附近显示出电子-空穴对称性，这是d波配对涨落的有力证据。这种对称性在高达φ~13°的动量范围内都能观察到，表明该态是d波超导态的前驱体。

层间邻近效应的作用机制

研究团队将这一现象归因于独特的层间邻近效应。内层清洁的CuO₂平面被两个近最优掺杂的外层平面夹在中间，从两侧受到强烈的超导邻近效应影响。这种环境与5-6层铜酸盐中内层平面形成鲜明对比，后者由于邻近效应较弱，往往出现反铁磁（AFM）有序导致的空穴口袋。

温度演化的三个阶段

研究明确了内层平面电子态随温度演化的三个阶段：在T<>_c时表现为典型的d波超导态；在T_c<><>_pair时呈现节点金属态；在T>T_pair时转变为具有费米弧的传统赝能隙态。

与多层体系的对比

研究还发现，在三层铜酸盐中，超导能隙Δ₀随掺杂降低而增大的行为与单层、双层体系截然不同。这种差异可能与三层体系中节点金属态的稳定性有关。此外，内层平面的清洁环境（相对无缺陷）也有助于增强超导涨落。

这项研究首次在实验上证实了三层铜酸盐中内层平面存在由邻近效应诱导的节点金属态，揭示了层间相互作用对超导性的深远影响。巨型d波能隙的发现为探索更高温度的超导机制提供了新视角，表明通过工程化设计层状结构可能实现更优异的超导性能。研究结果不仅解释了为何三层铜酸盐在各家族中具有最高T_c，也为设计新型高温超导材料指明了方向。