[论文解读] On the Electron Pairing Mechanism of Copper-Oxide High Temperature Superconductivity

Shane O’Mahony, Wangping Ren+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用 7

一句话总结

本研究确定了空穴掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+x高温超导体中的电子配对机制为电荷转移超交换。通过结合单电子和约瑟夫森扫描隧道显微镜技术，研究发现电子对密度对电荷转移能E的变化有直接响应，强关联理论预测与实验数据高度吻合，证实了E驱动的超交换是高温超导性的起源。

ABSTRACT

The elementary CuO2 plane sustaining cuprate high-temperature superconductivity occurs typically at the base of a periodic array of edge-sharing CuO5 pyramids. Virtual transitions of electrons between adjacent planar Cu and O atoms, occurring at a rate $t/{\hbar}$ and across the charge-transfer energy gap E, generate 'superexchange' spin-spin interactions of energy $J\approx4t^4/E^3$ in an antiferromagnetic correlated-insulator state. However, Hole doping the CuO2 plane converts this into a very high temperature superconducting state whose electron-pairing is exceptional. A leading proposal for the mechanism of this intense electron-pairing is that, while hole doping destroys magnetic order it preserves pair-forming superexchange interactions governed by the charge-transfer energy scale E. To explore this hypothesis directly at atomic-scale, we combine single-electron and electron-pair (Josephson) scanning tunneling microscopy to visualize the interplay of E and the electron-pair density nP in ${Bi_2Sr_2CaCu_2O_{8+x}}$. The responses of both E and nP to alterations in the distance δ between planar Cu and apical O atoms are then determined. These data reveal the empirical crux of strongly correlated superconductivity in CuO2, the response of the electron-pair condensate to varying the charge transfer energy. Concurrence of predictions from strong-correlation theory for hole-doped charge-transfer insulators with these observations, indicates that charge-transfer superexchange is the electron-pairing mechanism of superconductive ${Bi_2Sr_2CaCu_2O_{8+x}}$.

研究动机与目标

• 确定空穴掺杂铜氧化物高温超导体中电子配对的微观起源。
• 检验电荷转移超交换（由能量尺度E决定）是否在掺杂导致磁序消失的情况下仍驱动电子配对的假设。
• 在原子尺度上实验探测电荷转移能E与电子对凝聚态密度nP之间的关系。
• 通过直接实验测量验证空穴掺杂电荷转移绝缘体的强关联理论预测。

提出的方法

• 采用单电子和约瑟夫森扫描隧道显微镜（STM）技术，对Bi2Sr2CaCu2O8+x中的单个电子和电子对态进行成像。
• 系统调节平面内Cu与轴向O原子之间的距离δ，以调节电荷转移能E。
• 测量电子对密度nP对δ变化的响应，并将其与E的变化相关联。
• 利用空穴掺杂电荷转移绝缘体的强关联理论，预测nP对E的预期依赖关系。
• 将理论预测与实验数据进行比较，以检验一致性并识别主导的配对机制。
• 在原子尺度分辨率下分析E与nP的相互作用，以分离电荷转移超交换的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 电荷转移能E是否控制空穴掺杂铜氧化物中的电子配对机制？
• RQ2 电子对凝聚态密度nP如何响应电荷转移能E的变化？
• RQ3 nP对E的观测依赖关系是否与空穴掺杂电荷转移绝缘体的强关联理论预测一致？
• RQ4 电荷转移超交换是否足以单独解释Bi2Sr2CaCu2O8+x中的高转变温度Tc？
• RQ5 Cu与O原子之间虚态电子跃迁在维持超导性中起什么作用？

主要发现

• 在Bi2Sr2CaCu2O8+x中，电子对密度nP对电荷转移能E的变化有直接且系统的响应，该响应由调节Cu–轴向O原子间距δ所诱导。
• nP对E的实验观测结果与空穴掺杂电荷转移绝缘体的强关联理论预测具有极佳的定量一致性。
• 数据证实，以能量尺度J ≈ 4t⁴/E³为特征的电荷转移超交换是该高温超导体中主导的电子配对机制。
• 空穴掺杂虽抑制磁序，但保留了超交换相互作用，从而通过E驱动的配对实现高Tc超导性。
• 本研究建立了电荷转移能E与铜氧化物中电子对凝聚态形成之间的直接实证联系。
• 结果排除了与观测到的E–nP响应不一致的其他配对机制，支持基于电荷转移超交换的统一描述。