高温超导的机理一直是凝聚态物理领域悬而未决的重要问题。在铜氧化物体系中，高温超导是通过对莫特绝缘体掺杂而逐渐演化出来的。因此，探究超导刚出现的临界点附近——轻掺杂区间——的行为有望为理解高温超导机理带来重要线索。最近，清华大学物理系/北京量子信息科学研究院高温超导团队利用多年发展起来的制备和调控技术，成功实现了铜氧化物在轻掺杂区间的系统性磁输运测量。有意思的是，他们观测到了一种新奇的磁阻振荡，类似于周期性超导网格中的利特尔-帕克斯(Little-Parks)振荡。该研究成果以《轻掺杂铜氧化物超导中的类利特尔-帕克斯振荡》(Little-Parks like oscillations in lightly doped cuprate superconductors)为题在线发表在2022年3月14日的《自然·通讯》(Nature Communications)上。

图1  a, 样品器件图。b, 样品在不同掺杂情况下电阻随温度变化曲线。c,在轻掺杂区间观测到的磁阻振荡现象。d, 扣除背底后的磁阻振荡。e, 磁阻数据傅里叶变换后的结果。f, 样品相对磁场旋转不同角度后的磁阻振荡。

由于铜氧化物材料的复杂性，传统的单晶生长手段很难保证极欠掺杂区间的样品质量。为此，量子院院长薛其坤、兼聘研究员张定带领团队发展了离子固体调控技术。2018年，团队成功实现了薄层铋锶钙铜氧(Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x)从最优掺杂到轻掺杂区间的连续调控 [M. Liao et al. Nano Lett. 18, 5660 (2018)]。在此基础上，实验骨干廖孟涵（文章第一作者、清华大学物理系2020届博士毕业生）开展了系统性的磁输运测量。他发现磁阻在超导转变附近出现了有规律的振荡。该振荡只在掺杂浓度调节到小于0.1时才出现。通过对多个样品进行细致测量，研究团队排除了正常态的量子振荡、介观效应诱发的振荡以及磁通晶格形变导致的振荡，认为这种新型振荡与周期性超导网格中的利特尔-帕克斯振荡非常类似。通过磁场振荡周期，研究团队推算出对应的空间周期为50纳米左右。然而，研究中使用的铜氧化物超导并不具有人为加工的周期性结构，这说明其是自发形成的。通过考虑磁通在这一周期性结构上的作用，研究团队还成功定量解释了实验观测到的振荡幅值的变化，并得到了符合预期的伦敦穿透深度等物理参数。该工作中得到的周期结构远远大于此前在铜氧化物超导中普遍观测到的电荷密度波的尺度。因此，轻掺杂区的铜氧化物可能具有不同的电荷密度波的竞争，从而形成了更大尺度的周期性结构。该工作表明，虽然距离铜氧化物高温超导的发现已经过去了36年，但围绕该量子材料的探索仍然能够带来意外的新奇发现。

图2  高温超导典型的相图中磁阻振荡出现的区间。图中圆圈表示该掺杂浓度和磁场下进行了磁阻测量。填充的圆点表示观测到了磁阻振荡。

文章的合作者还包括北京量子信息科学研究院助理研究员朱玉莹、清华物理系博士生胡塾绪，美国布鲁克海文国家实验室Ruidan Zhong、John Schneeloch和Genda Gu。该工作得到了国家自然科学基金委员会、国家科技部、和北京未来芯片技术高精尖创新中心等的支持。

文章链接：doi.org/10.1038/s41467-022-28954-w

（高温超导团队 供稿）