近期，南京大學(xué)物理學(xué)院王達、王強華課題組經(jīng)過長達五年的探索，終于找到了破解過摻銅氧超導(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"實驗結(jié)果，即電子并沒有"丟失"，而只是以一種特殊的方式"隱藏"了起來。

在2016年，人們在過摻銅氧超導(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)】。這兩個關(guān)系共存在當時看來是與BCS理論相矛盾的，被稱為"超導(dǎo)電子丟失"之謎【J. Zaanen, Nature 536, 282 (2016)】。而隨后在2018年，人們又對光電導(dǎo)進行了測量，發(fā)現(xiàn)即使在正常態(tài)，光電導(dǎo)譜權(quán)重也會隨著摻雜而下降，即正常電子也會"丟失"【F. Mahmood et al., Phys. Rev. Lett. 122, 027003 (2019)】。這兩個奇怪的實驗結(jié)果就對過摻銅氧超導(dǎo)體符合BCS理論這樣一個物理圖像提出了挑戰(zhàn)。

經(jīng)過長期的探索，王達副教授和王強華教授發(fā)現(xiàn)，只要正確的處理頂角氧空位所帶來的各向異性散射率，就可以調(diào)和上述所有的矛盾。這在物理上其實是很容易理解的：由于散射率在超導(dǎo)節(jié)點處降為零，因此低溫下超流密度隨溫度的線性變化行為不發(fā)生改變；而該無序的存在可以同時壓制和，這又與各向同性散射的效應(yīng)類似。這樣就同時解釋了超流密度實驗中所得到的兩個看似矛盾的線性關(guān)系。另一方面，計入各向異性散射也可以對正常態(tài)的光電導(dǎo)實驗數(shù)據(jù)進行更好的擬合，從而使得正常電子的譜權(quán)重不再"丟失"。在材料計算方面，張海軍教授和其課題組的徐俊奇碩士生通過第一性原理的計算，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副教授，通訊作者為王達副教授和王強華教授，其他作者包括徐俊奇碩士生和張海軍教授。該研究受到國家自然科學(xué)基金委和國家重點研發(fā)計劃的資助，也得到南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、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。（來源：南京大學(xué)）