自1986年铜氧化物高温超导发现以来，其中的非常规高温超导机理到目前还不清楚，这一问题仍然是凝聚态物理学中的一个重大科学问题，也被Science杂志选为人类面临的一个重大问题。在铜氧化物超导体中，磁超交换相互作用能量在100-180meV，而且超导来自于对反铁磁母体的压制，因此很多人认为反铁磁超交换作用可能在超导电子配对中起了主要作用。但是，同时也有很多实验显示电-声子耦合似乎也不可忽略。超导凝聚态受到一个超导能隙的保护，在BCS电声子图像下，超导能隙远小于系统的德拜能量（最高声子能量）。如果发现超导配对能隙明显大于最大声子能量，那么基于电-声子耦合图像来解释铜氧化物中的高温超导电性就比较困难。另外，在不同的铜氧化物超导体系中，超导临界温度Tc通常遵循以下规律：随着晶胞中CuO2面层数的增加，Tc先升高后降低，在CuO2面层数为3层时临界温度达到最高值。理解这一规律对于理解铜氧化物的高温超导电性也有重要的意义。
在目前发现的所有超导体中，HgBa2Ca2Cu3O8+δ（Hg-1223）具有常压下的最高的超导临界温度Tc ≈ 134 K（在高压下Tc可达164 K），对其性质的研究对于解开高温超导之谜有着重要意义。但前期由于高质量单晶的缺乏以及样品解理的困难，对于其能隙的研究非常少。
近期，南京大学物理学院闻海虎、杨欢团队与德国鲁尔大学的Ilya Eremin团队、北京大学物理学院李源团队合作，利用扫描隧道显微镜在宽温区内对高质量的Hg-1223单晶进行了仔细的隧道谱测量。实验发现隧道谱上有两组能隙，其特征如图1a所示。其中小能隙Δ1范围在45-70 meV之间，较大的能隙Δ2范围在65-98 meV之间（图1b）。其中最令人震惊的是，最大的能隙达到了98 meV（图1c）。这一能隙值超过了已知所有铜氧化合物声子能量（小于等于80 meV），这可能排除了基于电声子耦合图像解释铜氧化合物超导的可能性。通过从极低温到200 K大范围变温隧道谱测量，发现小能隙在Tc附近消失，而大能隙在Tc以上很高温度仍然存在，直至测量的最高温度200K，仍然表现出赝能隙特征。除此之外，另一个有趣的发现是单电子隧道谱的电子-空穴不对称性，这种不对称不像其他铜氧化物超导体中发现的左高右低的背景（普遍被认为来自于强关联效应）。他们此次发现的这种不对称性主要表现在大能隙的正能区有一个高耸的态密度峰值；随着大能隙Δ2的增大而此不对称进一步增强。经过分析得知，该大能隙源于Hg-1223中三层铜氧面中欠掺杂的内层铜氧面，而小能隙来自过掺杂的外层铜氧面。随后的理论计算表明，观测到的不对称性可能源于能带结构中的平带（范霍夫奇点）和内层欠掺铜氧面大能隙的相互作用，前者提供强态密度，后者提供强配对势。计算结果如图1d所示，理论结果和实验有很好地吻合。因此，基于具有层间耦合的三层铜氧面模型，内层具有欠掺杂和大能隙，外层提供了一个靠近费米能的平带，这使得该系统中的超导转变温度达到很高值。该研究结果为理解铜氧化物超导机制提供了新的视角，启示人们通过制备合适的欠掺和过掺的铜氧面并产生临近效应，就可能得到高温超导。该文章以“Unprecedentedly large gap in HgBa2Ca2Cu3O8+δ with the highest Tc at ambient pressure”为题发表在【npj Quan. Mater. 10, 20 (2025)】。
图1. (a) 高质量的Hg-1223单晶上测量到的隧道谱，可以发现两个不同大小能隙；(b) 对于测量到的能隙进行统计，确定两个能隙的所在范围；(c) 在样品上测量的最大能隙，该能隙高达98 meV，大能隙在正能一边有个高耸的态密度峰，形成严重的粒子空穴的不对称性；(d) 通过三层铜氧面的理论模型计算出来的隧道谱，计算结果和实验结果(a)基本一致。
南京大学是第一作者和第一通讯作者单位；文章共同第一作者是温传浩、侯智勇、Alireza Akbari、洪文山和陈凯伦，杨欢教授、Ilya Eremin教授和闻海虎教授为共同通讯作者。此工作得到国家重点研发计划、自然科学基金委、教育部双一流学科建设、固体微结构物理国家重点实验室、2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持，在此表示感谢。