高温超导体结构单元层的制备、剪裁和超导机理研究

High-temperature superconductivity induced by the interface of two materials has attracted much attention in recent years. Especially, the interface-enhanced superconductivity in the FeSe/SrTiO3 heterostructure provides the important clues to exploring the mechanism of unconventional superconductors. In this project, we would prepare and tailor the surface and interfacial structures of oxide superconductors via the bottom-up and top-down approaches, and study the the electronic structures of these charge reservoir layers and superconducting layers. These works, including a direct investigation into the CuO2 superconducting plane, will be of significance for understanding the high temperature superconductivity of cuprates.

两种材料的界面导致的高温超导现象是近几年的凝聚态物理的一个重要突破，尤其是FeSe/SrTiO3界面高温超导的发现，为探寻非常规超导体的超导机制提供了重要的线索。本项目将通过“自下而上”和“自上而下”两种途径构建和裁剪氧化物高温超导体超导层和电荷库层的表面和界面结构，实现对CuO2超导层的电子结构的直接探测，揭示超导层和电荷库层对超导电性的影响，争取在高温超导机理研究中取得关键突破。

铜氧化物高温超导体自1986年被发现以来，其超导机理一直是凝聚态物理学中的重大科学难题之一。人们普遍认为铜氧化物高温超导电性源于对其核心铜氧面的化学掺杂。因此，直接探测铜氧化物超导体铜氧面的电子结构，特别是阐明超导电子配对函数的对称性和配对媒介对理解铜氧化物高温超导机理具有重要的科学意义。.本项目致力于发展并利用氧化物分子束外延技术制备结构最为简单的无限层铜氧化物单晶薄膜，聚焦于其所呈现出的核心铜氧面的性质，并在Sr1-x(La, Nd)xCuO2体系中揭示了铜氧面莫特电子结构随电子和空穴两种类型的载流子掺杂的演化规律。进一步细致研究了Sr1-xNdxCuO2外延薄膜的铜氧面的形貌和超导能隙，揭示了具有无能隙节点类s-波的电子配对对称性。更为重要的是，通过采集较宽能量范围和高质量的扫描隧道显微谱，在超导能隙之外清晰地观察到了由于电子-玻色子强耦合导致的dip-hump-peak结构。系统分析这些玻色子对应的能量以及与超导能隙的关系，确定性地证明了三个玻色子激发分别对应于铜氧面面外的声子振动模式（~20 meV）、面内Cu-O键的弯曲（~45 meV）和伸缩（~72 meV）的声子振动子模式。此外，空间依赖的扫描隧道谱揭示了电子结构和超导能隙的空间分布并验证了上述结论。.本项目利用范德瓦尔斯异质结搭建技术，成功制备出了超薄的具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结，并且能将两边超导层的相对转角进行精确地控制。在这些高质量样品中，观察到参与隧穿过程的只有相对发生旋转的两个超导层，避免了本征约瑟夫森结造成的复杂性。通过这种高度精确人为可控的相位敏感测量，发现在相对角度旋转到45度时，两片铋锶钙铜氧超导在纵向仍然存在约瑟夫森耦合，而且耦合强度与转角为0度时可比拟。