物理所原位研究銅氧化物超導體新方法取得進展

　　銅氧化物高溫超導體自發現的30多年以來，有許多重要研究結果，其中角分辨光電子能譜（以下簡稱ARPES）起到了至關重要的作用。由於高溫超導體相圖的豐富性，近年來為了揭開銅氧化物高溫超導機理，利用ARPES探測經過解理的不同摻雜濃度的單晶開展了許多系統性的研究工作。然而，由於解理不同單晶得到的表面會引入不同程度的散射，造成不同樣品之間的差異性，因此通過解理不同摻雜濃度的單晶來進行的系統性研究工作存在較大的誤差，使定量化比較出現困難，嚴重情況下，定性比較也將存在較大偏差。這也是多年來不同研究組的系統性研究工作得到的結果不一致的主要原因。因此為了進行更加精確的系統性研究，發展在同一個解理表面原位地進行摻雜的技術顯得尤為重要。先前的文獻報導過在低溫下進行原位表面蒸鉀或氧氣吸收可以實現表面摻雜，但這些方法隨著摻雜的進行由於低溫吸附作用會在表面引入越來越多影響測量的無序原子，最終使得ARPES測量難以進行。

　　意識到研究最為廣泛的銅氧化物高溫超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x（以下簡稱Bi2212）僅通過調節氧原子含量就可以有效地調控摻雜濃度，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件實驗室丁洪研究組博士生鍾益桂、關劍宇在研究員丁洪、副研究員孫煜傑的指導下，利用最新搭建的具備低溫提純臭氧功能的OMBE-ARPES聯合系統，通過臭氧／真空退火的方法在同一塊Bi2212單晶新鮮解理表面上成功實現了近乎整個超導相區的原位摻雜調控，為銅氧化物研究開闢了新道路。通過ARPES測量，給出了Bi2212超導準粒子譜權重以及贗能隙更加精確的結果。

　　該工作主要報導了一種結合臭氧退火以及真空退火的表面處理方法。即利用低溫提純的臭氧的強氧化性，在氧化MBE中將新鮮解理的最佳摻雜單晶Bi2212在一定濃度的臭氧氛圍中進行高溫退火，樣品表面若干層內變得極度過摻雜；而樣品在真空環境中經過不同溫度的退火，可降低其表面摻雜濃度。結合這兩種退火方式可以實現在同一Bi2212單晶表面的連續原位表面摻雜，而摻雜濃度的變化可以直接通過測量費米面的變化以及低溫下超導能隙的改變來判斷（圖1、3）。該方法不僅擴大摻雜濃度範圍（幾乎遍布整個超導相區），還能排除解理表面帶來的不可控影響，進而使得ARPES所測物理量的定量比較更為可靠，特別是對於表面散射相當敏感的準粒子相干峰權重以及超導能隙。

　　通過仔細的ARPES測量，他們發現準粒子相干峰譜權重隨摻雜濃度的依賴關係在節點與反節點處具有很大不同，節點處的準粒子譜權重變化緩慢，僅在極度欠摻雜的情況下有明顯減小；而在反節點處準粒子譜權重隨摻雜濃度呈現線性關係（圖2）。另外，通過測量能隙他們發現在反節點附近的能隙隨摻雜濃度呈線性關係，行為與贗能隙關閉溫度T^＊接近；而在節點附近的d波能隙斜率隨摻雜濃度呈現拱形關係，但行為不與超導轉變溫度接近，反而與普遍認為代表著超導配對形成的能斯特onset溫度吻合得很好（圖4）。這些現象說明了在贗能隙相區裡存在著強烈的超導漲落。

　　之所以可以得到與塊體輸運測量得到的能斯特效應互相一致的ARPES結果，主要是因為臭氧／真空退火表面處理的方法，使得測量結果準確而具有定量化比較的可能性。這種原位摻雜處理的技術不僅提高了實驗結果的可靠性，更極大地提高了銅氧化物相圖研究的效率，為系統性研究高溫超導銅氧化物的電子相圖提供了新的平臺，對高溫超導的進一步研究具有重大意義。相關研究成果發表在最近的Physical Review B 以及Science China 雜誌上：Physical Review B 98, 140507(R) (2018); Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 127403 (2018)。

　　上述研究工作獲得科技部（Nos. 2016YFA0401000, 2016YFA0300600, 2015CB921300, 2015CB921000）、國家自然科學基金委（Nos. 11227903, 11574371, 11622435, 11474340）、中科院（Nos. XDB07000000, XDPB08- 1, QYZDB-SSW-SLH043）和松山湖材料實驗室等的支持。

圖1: Bi2212臭氧／真空退火表面摻雜調控及相應費米面的變化

圖2：隨著表面摻雜節點以及反節點處準粒子譜權重的變化

圖3：隨著表面摻雜超導能隙的變化

圖4: 反節點處超導能隙以及d波超導能隙斜率隨摻雜濃度的變化

　　銅氧化物高溫超導體自發現的30多年以來，有許多重要研究結果，其中角分辨光電子能譜（以下簡稱ARPES）起到了至關重要的作用。由於高溫超導體相圖的豐富性，近年來為了揭開銅氧化物高溫超導機理，利用ARPES探測經過解理的不同摻雜濃度的單晶開展了許多系統性的研究工作。然而，由於解理不同單晶得到的表面會引入不同程度的散射，造成不同樣品之間的差異性，因此通過解理不同摻雜濃度的單晶來進行的系統性研究工作存在較大的誤差，使定量化比較出現困難，嚴重情況下，定性比較也將存在較大偏差。這也是多年來不同研究組的系統性研究工作得到的結果不一致的主要原因。因此為了進行更加精確的系統性研究，發展在同一個解理表面原位地進行摻雜的技術顯得尤為重要。先前的文獻報導過在低溫下進行原位表面蒸鉀或氧氣吸收可以實現表面摻雜，但這些方法隨著摻雜的進行由於低溫吸附作用會在表面引入越來越多影響測量的無序原子，最終使得ARPES測量難以進行。
　　意識到研究最為廣泛的銅氧化物高溫超導體Bi2Sr2CaCu2O8+x（以下簡稱Bi2212）僅通過調節氧原子含量就可以有效地調控摻雜濃度，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件實驗室丁洪研究組博士生鍾益桂、關劍宇在研究員丁洪、副研究員孫煜傑的指導下，利用最新搭建的具備低溫提純臭氧功能的OMBE-ARPES聯合系統，通過臭氧／真空退火的方法在同一塊Bi2212單晶新鮮解理表面上成功實現了近乎整個超導相區的原位摻雜調控，為銅氧化物研究開闢了新道路。通過ARPES測量，給出了Bi2212超導準粒子譜權重以及贗能隙更加精確的結果。
　　該工作主要報導了一種結合臭氧退火以及真空退火的表面處理方法。即利用低溫提純的臭氧的強氧化性，在氧化MBE中將新鮮解理的最佳摻雜單晶Bi2212在一定濃度的臭氧氛圍中進行高溫退火，樣品表面若干層內變得極度過摻雜；而樣品在真空環境中經過不同溫度的退火，可降低其表面摻雜濃度。結合這兩種退火方式可以實現在同一Bi2212單晶表面的連續原位表面摻雜，而摻雜濃度的變化可以直接通過測量費米面的變化以及低溫下超導能隙的改變來判斷（圖1、3）。該方法不僅擴大摻雜濃度範圍（幾乎遍布整個超導相區），還能排除解理表面帶來的不可控影響，進而使得ARPES所測物理量的定量比較更為可靠，特別是對於表面散射相當敏感的準粒子相干峰權重以及超導能隙。
　　通過仔細的ARPES測量，他們發現準粒子相干峰譜權重隨摻雜濃度的依賴關係在節點與反節點處具有很大不同，節點處的準粒子譜權重變化緩慢，僅在極度欠摻雜的情況下有明顯減小；而在反節點處準粒子譜權重隨摻雜濃度呈現線性關係（圖2）。另外，通過測量能隙他們發現在反節點附近的能隙隨摻雜濃度呈線性關係，行為與贗能隙關閉溫度T＊接近；而在節點附近的d波能隙斜率隨摻雜濃度呈現拱形關係，但行為不與超導轉變溫度接近，反而與普遍認為代表著超導配對形成的能斯特onset溫度吻合得很好（圖4）。這些現象說明了在贗能隙相區裡存在著強烈的超導漲落。
　　之所以可以得到與塊體輸運測量得到的能斯特效應互相一致的ARPES結果，主要是因為臭氧／真空退火表面處理的方法，使得測量結果準確而具有定量化比較的可能性。這種原位摻雜處理的技術不僅提高了實驗結果的可靠性，更極大地提高了銅氧化物相圖研究的效率，為系統性研究高溫超導銅氧化物的電子相圖提供了新的平臺，對高溫超導的進一步研究具有重大意義。相關研究成果發表在最近的Physical Review B 以及Science China 雜誌上：Physical Review B 98, 140507(R) (2018); Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 127403 (2018)。
　　上述研究工作獲得科技部（Nos. 2016YFA0401000, 2016YFA0300600, 2015CB921300, 2015CB921000）、國家自然科學基金委（Nos. 11227903, 11574371, 11622435, 11474340）、中科院（Nos. XDB07000000, XDPB08- 1, QYZDB-SSW-SLH043）和松山湖材料實驗室等的支持。

圖1: Bi2212臭氧／真空退火表面摻雜調控及相應費米面的變化

圖2：隨著表面摻雜節點以及反節點處準粒子譜權重的變化

圖3：隨著表面摻雜超導能隙的變化

圖4: 反節點處超導能隙以及d波超導能隙斜率隨摻雜濃度的變化