铜氧化物掺杂莫特绝缘体的微观电子结构研究

One of the key issues in understanding the mechanism of high temperature superconductivity in the cuprates is to elucidate its microscopic electronic structure, especially that of the normal state (or more precisely the non-superconductivity state). In this proposal, we plan to investigate the microscopic electronic structure of the cuprate high temperature superconductors from the doped Mott insulator perspective. We will combine high quality sample growth, high energy resolution scanning tunneling spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, strong correlation model and numerical calculations. The main research directions include: increasing hole density from the parent Mott insulator, study the evolution from the Mott-Hubbard gap to the pseudogap and superconducting gap, and the quantum phase transition from the superconducting state to the overdoped metallic phase; study the effect of layer structure on the Mott-Hubbard gap and its correlation with pseudogap, superconducting gap, and maximum transition temperature; study the similarities and differences between the electronic structure of electron and hole doped Mott insulators; etc. We hope to obtain a comprehensive understanding regarding the microscopic electronic structure of the cuprate high temperature superconductors, and provide new clues for elucidating the superconducting mechanism.

理解铜氧化物高温超导机理的关键问题之一是如何正确理解其微观电子结构，特别是其正常态（或更准确地说是非超导态）的电子结构。在本项目申请中，我们计划从掺杂莫特绝缘体的角度对铜氧化物高温超导体的微观电子结构进行系统而深入的研究。我们将高质量样品生长、高能量分辨扫描隧道电子谱和角分辨光电子谱测量、理论与数值计算有机的结合起来。主要的研究内容包括：从莫特绝缘态的母体出发，研究随着空穴掺杂浓度增加Mott-Hubbard能隙到赝能隙和超导能隙的演化，研究超导态到过掺杂金属态的量子相变；研究层状结构对Mott-Hubbard能隙的影响及其与赝能隙、超导能隙及最高超导转变温度之间的关联；研究空穴型掺杂与电子型掺杂莫特绝缘体电子结构的异同点，等等。我们将力争对铜氧化物高温超导体的微观电子结构获得全面的了解，为超导机理问题的最终解决提供有价值的新线索。

铜氧化物高温超导的微观机理是当今凝聚态物理领域最重要的科学问题之一，而解决这一问题的关键是对铜氧化物的微观电子结构进行系统而深入的研究。本项目紧密围绕这一主题，规划了三个主要研究方向：（1）在单层的 Bi-2201 体系中研究空穴掺杂浓度增加所导致的电子结构和电子态演化；（2）对具有不同层状结构的铜氧化物材料电子结构进行对比研究；（3）研究空穴型掺杂与电子型掺杂对电子结构的不同影响。..在过去的五年，本项目的主要研究内容基本按照任务书的研究计划执行。在样品生长方面，制备了具有不同掺杂浓度的Bi-2201，Bi-2212，Bi-2223等高质量单晶以及薄膜样品，同时尝试了在超真空环境中利用钾原子原位蒸镀来获得不同铜基材料体系的电子型载流子调制。在扫描隧道显微镜的研究方面，对不同层状结构的莫特绝缘体母体的电子结构进行了测量，发现了母体电荷转移能隙与最佳掺杂Tc之间的反关联；对空穴掺杂诱导的电子结构演化和电荷有序态的产生进行了系统的研究，在欠掺杂Bi-2212中发现了库伯对密度波态，在过掺杂区域发现一个新的电荷有序态；在Bi-2223体系中发现了周期性结构调制和两种不同铜氧面对超导性质的影响；对1T-TaS2掺杂莫特绝缘体的电子结构与铜氧化物进行了对比研究。在角分辨光电子能谱研究方面，优化了飞行时间角分辨光电子谱仪的性能，并利用其对CCOC、Bi-2201、Bi-2212、Bi-2223材料体系进行了系统的研究。在理论研究方面，从一个与RVB理论不同的全新角度来研究强关联莫特反铁磁绝缘体通过空穴掺杂所实现的新物态，在各种不同的情况下细致揭示了凝聚态物理的基础即费米子符号结构如何因为强相互作用而改变，并获得与实验较为一致的结果，对理解强关联和高温超导机理具有基础性的意义。..在本项目资助下，共发表学术论文35篇，其中包括Nature Physics 2篇，Nature Materials 1 篇，Physical Review Letters 3 篇，Physical Review X 3 篇，Physical Review 系列17篇。..共毕业博士生11名，其中已经有一人担任人民大学副教授，一人担任复旦大学助理教授，一人担任国科大KITS助理教授，多名博士毕业生在国内外著名研究机构从事博士后研究。