自从1986年铜氧化物高温超导体被发现以来，如何理解其高温超导机理成为凝聚态物理学中最重要和最具挑战性的问题之一。铜氧化物超导体母体因为强关联作用是反铁磁Mott绝缘体，高温超导是对母体进行掺杂空穴或者电子后形成的。但是，Mott绝缘体能隙是如何被填充的，以及低能的态密度是如何形成的，它们又与超导有什么关系，这些重要问题尚未解决。
近期，物理学院闻海虎教授、杨欢教授团队针对上述问题，利用新发展起来的自旋极化扫描隧道显微镜技术，对极度欠掺杂的绝缘Bi2Sr2−xLaxCuO6+δ（Bi2201）单晶样品进行了细致研究。他们利用自旋极化手段首次在实空间观测到了欠掺样品中的反铁磁序，直接展示了反铁磁序消失与Mott能隙填充之间的紧密关系；进一步掺杂空穴，Mott能隙被完全填充，态密度在150-200 mV左右会出现一个极大值, 对应大的赝能隙；同时出现一些4a0×4a0的方格子，每个方格子内部会出现2-3条平行状电子态条纹，而中间条纹上面有低能“相干峰”，能量在25 meV左右，此低能相干峰的最高出现在中心的两个氧原子上面。这一工作明确地展示了 Mott绝缘体中相关电子态随空穴掺杂浓度的演化和原子分辨模式，应有助于解开铜氧化物超导体中的Cooper配对之谜。该工作于2023年4月26日在线发表在npj Quantum Materials 8: 18 (2023)。
图1 (a)La-Bi2201系统的相图；(b)两种掺杂水平样品电阻率随温度变化曲线;(c,d)分别在UD08样品和UD10样品上使用自旋极化Cr针尖得到的自旋差异形貌；图(c)和图(d)中的插图分别显示了它们各自的傅里叶变换结果，图(c)中的圆圈表示在UD08样品中观测到的反铁磁序调制，黑色十字标记了布拉格点的位置。
图1a展示了Bi2201系统的相图，紫色箭头表示在这里研究的两种样品的空穴掺杂水平。在空穴浓度为 p = 0.08的样品（UD08）仍然处于反铁磁Mott绝缘体态，当 p = 0.10时（UD10），反铁磁的Mott绝缘相即将消失，超导相即将出现。图1b展示了两种样品典型的电阻率随温度的变化曲线，它们的电阻率随温度变化行为都具有明显的绝缘特性，其中UD08样品的绝缘性远远高于UD10样品。表征好样品以后，他们利用自旋极化的Cr针尖在正负磁场下测量了 UD08和UD10样品的形貌，并分别对它们做差分析来提取自旋极化电流带来的贡献。两种样品典型的自旋差异形貌如图1(c,d)所示，在UD08样品的某些区域可以清楚地看到棋盘状的反铁磁序（红蓝信号），但是在UD10样品中该信号几乎不可见。这种区别在它们自旋差异形貌的傅里叶变换图像中更为明显（图1(c,d)中插图）：在UD08样品中，反铁磁序沿其晶格对角线方向成√2a0（a0 =3.8 Å）周期调制，其公度的周期调制进一步印证了铜氧化物母体棋盘状反铁磁序的存在，并且这应是对其中反铁磁序的首次实空间观测。
图2 (a) UD10样品25meV能量下的微分电导图像展示了一个典型的4×4态密度调制，内部的三个向列条纹清晰可见；(b)在a图b3链中O2和Cu5位置测量的隧道谱，b3链中的O2位置处于中心最亮的条纹中,Cu5位置远离三个亮条纹，插图显示了这由两条谱相减得到的差异谱; (c) 中心条纹上空间分布的微分电导强度（红色圆点）可以由三个分立的高斯函数（红色、粉色和绿色实线）构建的蓝色实线很好地拟合，并且拟合的峰值基本位于氧位（蓝色实线）；(d) 4×4周期调制卡通示意图，其内部存在三条向列周期为 4a0/3 的态密度条纹（黄色条纹），黄绿色斑块突出了在中心O2和O3原子周围25meV能量下增强的态密度。
在更高掺杂的UD10样品中，反铁磁序被完全破坏，一个内部具有向列状电子态的4×4周期调制出现（图2a），他们沿着调制内部Cu-O链方向测量了Cu位和O位的隧道谱，发现在中心条纹（沿着b3线）上测得的隧道谱，在低能 ±25meV左右有类似于超导相干峰的结构（图2b）。进一步，通过提取中心条纹25meV能量下微分电导的空间分布强度，发现态密度的峰值都出现在氧位（图2c）。他们认为，上述低能态密度调制和低能能隙可能是由某种类型的密度波引起的，比如配对密度波。这种内部具有向列状电子态的4×4周期调制很可能反映了掺杂空穴诱导的配对相关的局部电子模式（图2d）。
该工作发表后，荷兰莱顿大学著名理论学家、荷兰科学最高奖家斯宾诺莎奖获得者Jan Zaanen教授对上述工作专门写了一篇两页的评论（npj Quantum Materials 8: 26 (2023)），在文章摘要中Zaanen教授写到“南京的研究小组利用自旋极化的扫描隧道谱仪，首次测量了极度欠掺铜氧化物超导体中载流子的形态。”
本工作得到国家重点研发计划和自然科学基金等项目的支持，在此表示感谢。