破解过掺铜氧超导体中电子"丢失"之谜的关键：氧空位

近期，南京大学物理学院王达、王强华课题组经过长达五年的探索，终于找到了破解过掺铜氧超导体中电子"丢失"之谜的关键：氧空位。由于该顶角氧空位的存在，会使得电子感受到一种各向异性散射率，从而很自然的解释几年前超流密度和光电导的"反常"实验结果，即电子并没有"丢失"，而只是以一种特殊的方式"隐藏"了起来。

在2016年，人们在过掺铜氧超导体LSCO中发现低温下超流密度的变化正比于温度，即，而零温超流密度本身正比于超导转变温度，即【I. Bozovicet al., Nature 536, 309 (2016)】。这两个关系共存在当时看来是与BCS理论相矛盾的，被称为"超导电子丢失"之谜【J. Zaanen, Nature 536, 282 (2016)】。而随后在2018年，人们又对光电导进行了测量，发现即使在正常态，光电导谱权重也会随着掺杂而下降，即正常电子也会"丢失"【F. Mahmood et al., Phys. Rev. Lett. 122, 027003 (2019)】。这两个奇怪的实验结果就对过掺铜氧超导体符合BCS理论这样一个物理图像提出了挑战。

经过长期的探索，王达副教授和王强华教授发现，只要正确的处理顶角氧空位所带来的各向异性散射率，就可以调和上述所有的矛盾。这在物理上其实是很容易理解的：由于散射率在超导节点处降为零，因此低温下超流密度随温度的线性变化行为不发生改变；而该无序的存在可以同时压制和，这又与各向同性散射的效应类似。这样就同时解释了超流密度实验中所得到的两个看似矛盾的线性关系。另一方面，计入各向异性散射也可以对正常态的光电导实验数据进行更好的拟合，从而使得正常电子的谱权重不再"丢失"。在材料计算方面，张海军教授和其课题组的徐俊奇硕士生通过第一性原理的计算，也给出了支持LSCO中顶角氧空位的结论。

图1：顶角氧空位所引起的各向异性散射率与总散射率的示意图。

该成果以 "Anisotropic Scattering Caused by Apical Oxygen Vacancies in Thin Films of Overdoped High-Temperature Cuprate Superconductors"为题发表于Physical Review Letters 128, 137001 (2022)。该论文的第一作者为王达副教授，通讯作者为王达副教授和王强华教授，其他作者包括徐俊奇硕士生和张海军教授。该研究受到国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助，也得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持，在此表示感谢。（来源：南京大学）