特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
在过去的三十年中，PG现象在高转变温度铜氧化物中普遍存在，表现为费米能级附近电子态的部分去除。它的微观起源一直是凝聚态物理学的核心问题，可能与超导机理密切相关。一些研究指出了在PG相边界(通常称为T*)发生相变和对称性破缺的可能性，对称敏感实验表明，时间反转对称(TRS)以及空间旋转和反转对称在T*以下被打破。
关键问题
到目前为止，还没有实验报道在真实空间中这种不寻常的(可能是组合的)对称破缺的形态，使得主要的对称破缺难以捉摸。虽然光学研究表明介观域较小，但所有这些实验都缺乏纳米尺度的空间分辨率，微观阶数参数至今仍难以捉摸。
新思路
有鉴于此，清华大学朱静院士、复旦大学车仁超教授和北京大学李源副教授等人报告了使用洛伦兹透射电子显微镜(LTEM)首次直接观察到在PG状态下的低掺杂铜酸盐YBa2Cu3O6.5中的拓扑自旋纹理。CuO2薄片的自旋织构具有涡状磁化密度，长度尺度较大，约为100 nm。作者确定了拓扑自旋纹理存在的相图区域，并证明了正交-II氧阶和合适的样品厚度是技术观测拓扑自旋纹理的关键。作者还讨论了拓扑自旋结构、PG态、电荷顺序和超导性之间有趣的相互作用。
作者利用LTEM在YBa2Cu3O6.5中获得了室温下拓扑自旋织构的惊人发现，这种效应是纯磁性的，属于PG态。作者沿着光束方向施加磁场，探究了磁场和温度对拓扑自旋特征的影响，表明自旋织构具有突发性，对PG阶段TRS断裂的微观形式有了新的认识。作者发现氧有序的作用是使样品局部完美，使自旋纹理沿c轴自由有序，而LTEM对比强烈依赖于厚度。4、绘制了YBa2Cu3O6+x中拓扑自旋织构的相图通过研究两个含氧量不同的样品(YBa2Cu3O6.0和YBa2Cu3O6.9)，表明自旋织构仅限于PG态。通过对所有实验结果的汇总，得到了YBa2Cu3O6+x相图的拓扑自旋织构视图。通过使用LTEM结合低漂移的液氦阶段，首次报道了在PG态下直接观察未掺杂铜氧化物YBa2Cu3O6.5的拓扑自旋织构。作者利用基于强度传输方程(TIE)的相位重建技术，获得了拓扑自旋织构的证据。
技术细节
在高温铜氧化物超导体中，YBa2Cu3O6+x被广泛研究。母体化合物YBa2Cu3O6是反铁磁绝缘体，通过空穴(氧)掺杂成为超导体。YBa2Cu3O6+x的正交晶体结构较为复杂，晶胞中存在两个扭曲的CuO2层形成双电层，并进一步形成Cu-O链。YBa2Cu3O6+x透射电子显微镜(TEM)样品为矩形和楔形。在样品形貌中可见的厚度梯度，使作者可以找到最佳的LTEM信号对比度作为厚度的函数，而无需对可能的自旋纹理，如c轴相关长度做出假设。通过QPt软件的TIE方法对LTEM图像进行分析，推导出样品的实空间自旋纹理和相应场强，通过色轮将每个自旋纹理中的磁场向量可视化。作者在YBa2Cu3O6.5中获得了室温下拓扑自旋织构的惊人发现，这种效应是纯磁性的，属于PG态。
图 通过LTEM分析了T*以下PG区YBa2Cu3O6+x的相图和拓扑自旋织构作者沿着光束方向施加磁场，以检查观察到的拓扑自旋特征是否受到影响。结果表明，当磁场超过140 mT (300k)和338 mT (10k)时，拓扑特征消失，说明了拓扑自旋织构的面内分量被外加场抑制。随着冷却，拓扑自旋织构变得更加健壮，但这些临界磁场都出奇地小，这意味着自旋织构具有突发性。本工作中的观察对PG阶段TRS断裂的微观形式有了新的认识。
TEM的高空间分辨率为拓扑自旋织构的出现与局部晶体结构之间的关系提供了进一步的信息。作者分别显示了选定的区域1和区域2的电子衍射，其中区域2表现出自旋织构，出现了超衍射点=。由于Cu-O链上氧的有序掺杂，这些超衍射点表明了一个调制波矢量q=<1/2 0 0>的有序上层结构。模拟衍射图与实验结果一致。区域1和区域2的晶体结构差异在于区域2同时包含富氧链和缺氧链，并且表现出YBa2Cu3O6.5掺杂氧链的短程邻位-II有序。作者认为氧有序的作用是使样品局部完美，使自旋纹理沿c轴自由有序。自旋织构是在CuO2薄片中，因为它没有表现出Cu-O链所暗示的明显的各向异性；然而，在这个阶段还不能完全排除由充氧链引发的磁性。仔细观察数据可以发现，LTEM对比度逐渐向过薄的样本区域下降，但突然向过厚的区域下降。这表明，在过度的样本厚度中，自旋纹理相互关联在能量上是不利的，这可能是由一种类似于helimagnet薄膜中粒子样自旋纹理的机制造成的。这种c轴相关性的内在抑制可能解释了为什么中子衍射观察到TRS在大块中断裂，而LTEM对比强烈依赖于厚度。
图 YBa2Cu3O6.5有无拓扑自旋织构的原子和电子结构进一步研究了两个含氧量不同的样品(YBa2Cu3O6.0和YBa2Cu3O6.9)。在Mott绝缘体(YBa2Cu3O6.0)或奇异金属(YBa2Cu3O6.9)状态下，没有观察到拓扑自旋织构。正如预期的那样，在这两个样品中没有观察到超衍射点。再加上YBa2Cu3O6.5在室温下观察到拓扑自旋织构，这些结果有力地表明自旋织构仅限于PG态。通过对所有实验结果的汇总，得到了YBa2Cu3O6+x相图的拓扑自旋织构视图。信号在进入CDW和超导态时各自的消失和再现表明尽管CDW阶数可能会像前面讨论的那扰乱自旋织构的相关性，但自旋织构肯定可以与超导共存。
展望
总之，作者在纳米尺度上发现了YBa2Cu3O6.5超导体PG态的拓扑自旋织构。自旋织构似乎是一种“脆弱的”涌现现象，需要特殊的条件才能观察到，但它与CDW和超导相具有有趣的关系。本工作的发现通过提供微观结构的直接图像，揭开了PG状态下隐藏的TRS断裂之谜。Wang, Z., Pei, K., Yang, L. et al. Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05731-3
