在銅基高溫超導體中，一個廣泛的共識就是超導來源于二維CuO₂面。

從80年代發(fā)現(xiàn)銅基高溫超導體起，大量的實驗表明銅基超導是一個存在節(jié)點的d波配對超導體，其中著名的實驗包括美國IBM實驗室崔章琪等人在三晶約瑟夫森結中發(fā)現(xiàn)的自發(fā)量子化磁通實驗。

2016年，清華大學薛其坤團隊成功利用分子束外延技術在d波Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ(Bi2212)超導襯底上生長出單層CuO₂面。不同于在d波超導體中的節(jié)點V型局域態(tài)密度，掃描隧道顯微鏡（STM）在單層CuO₂面上發(fā)現(xiàn)無節(jié)點U型局域態(tài)密度。

這一實驗結果對銅基高溫超導體中已經(jīng)廣泛認可的CuO₂面d波配對超導體提出新的挑戰(zhàn)。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算重點實驗室研究員胡江平（T06組）與美國波士頓學院教授汪自強、波士頓學院博士后蔣坤和德國維爾茨堡大學博士后（物理所博士）吳賢新合作。

通過理論計算發(fā)現(xiàn)在Bi2212上的單層CuO₂面是一個多軌道引起的全能隙，無節(jié)點高溫超導體。

圖1: 隨著空穴摻雜濃度（xh）的銅基超導示意相圖。圖左邊是在通常塊體中實現(xiàn)的單帶d波超導體，圖右邊是在單層CuO₂/Bi2212中實現(xiàn)的雙軌道無節(jié)點超導體。插圖顯示它們各自的費米面。

首先，密度泛函理論計算表明，CuO₂/Bi2212界面上存在著大量的電荷轉移，使得CuO₂單層高度過摻雜到3d⁸Cu³⁺狀態(tài)附近。

在常規(guī)銅基超導中，Cu處于3d⁹Cu²⁺狀態(tài)附近。通?？梢酝ㄟ^構建單帶以(d_{x^{2}-y^{2}})為主的Zhang-Rice單態(tài)描述CuO₂的電學性質。

圖2: (a) 單層CuO₂原子結構。(d_{3z^{2}-r^{2}})軌道用金色和銀色表示，氧離子用藍色的球表示。(b)密度泛函計算出的單層CuO₂能帶結構。紅色的菱形表示dx2軌道，綠色三角形表示dz2軌道，藍色三角形表示O pz軌道。(c)緊束縛近似下的能帶結構（d）xh=0.9下的費米面。在布里淵區(qū)中心Γ點和邊角M點，各存在一個電子型費米面（Γ）和一個空穴型費米面（M）。

但在3d⁸Cu³⁺狀態(tài)情況下，Cu的(d_{x^{2}-y^{2}})和(d_{3z^{2}-r^{2}})軌道都變得很重要。通過構建一個eg兩軌道模型發(fā)現(xiàn)高度過摻雜CuO₂單層存在兩個不同費米面。在布里淵區(qū)中心Γ點和邊角M點，分別存在一個電子型費米面（Γ）和一個空穴型費米面（M）。

圖3:（a）xh=0.9下的費米面。(b)隨著(a)中定義角度變化下超導配對能隙。(c)(d)U型局域態(tài)密度顯示無節(jié)點25meV能隙。

借鑒鐵基超導中S±波配對經(jīng)驗，CuO₂單層同樣也可以得到S±波配對。鑒于自旋自由度和軌道自由度都起重要作用，自旋軌道交換作用會產(chǎn)生具有延展S波配對對稱性，并且能隙與塊體d波能隙可比的無節(jié)點超導體。

這些結論與薛其坤團隊實驗吻合。這一研究為高度過摻雜區(qū)銅基超導，尤其是臭氧環(huán)境下過渡金屬氧化物異質結提供新的研究方向。

文獻信息：

Jiang K, Wu X, Hu J, et al. Nodeless High-T c Superconductivity in the Highly Overdoped CuO₂ Monolayer[J]. Physical review letters, 2018, 121(22): 227002.