研究背景
高温超导铜氧化物（如YBa2Cu3Oy）因其在超导性和正常态性质方面的独特行为，长期以来一直是凝聚态物理领域的重要研究对象。这些材料因其应用前景广泛，特别是在量子计算、超导电子器件和高效能传感器等领域，成为研究的热点。与传统的金属或半导体材料相比，铜氧化物具有显著的高温超导性，能在远高于液氮温度的环境下展现超导特性，具有巨大的潜在应用价值。然而，这些材料的正常态性质和伪间隙行为仍然是理解其超导机理和提升性能的重大挑战之一。伪间隙（pseudogap）现象是指在铜氧化物中，超导性形成之前，材料的自旋易感性（χspin）随温度降低而减小的行为，这一现象至今没有得到统一的解释。尽管自旋易感性的减小通常被认为与反铁磁相关性（AFM）有关，但这一过程是否仅仅由反铁磁效应引起，仍然存在争议。更复杂的是，超导配对的存在会掩盖低温下正常态的自旋易感性，使得对伪间隙的进一步研究变得困难。为了应对这一挑战，研究者们尝试通过高磁场抑制超导性，并测量在低温下的自旋易感性，从而分离出正常态和超导态的贡献。为了解决这一问题，法国图卢兹第三大学Rui Zhou（现中国科学院物理研究所），Marc-Henri Julien等在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor”的最新论文。该团队通过在高磁场下抑制YBa2Cu3Oy中的超导性，成功测量了该材料在低温下的自旋易感性。研究发现，材料的自旋易感性呈现出两个热激活的能隙贡献，每个贡献源自不同的能隙，而另有一部分残余成分来自无能隙的激发。研究人员进一步将这两个能隙与短程电荷密度波（CDW）和自旋单重态的形成联系起来，提出这两种现象共同促成了低温下的伪间隙行为。此外，这一发现也补充了高温下反铁磁性的短寿命效应，推动了对伪间隙现象更深入的理解。 该团队的研究工作通过高磁场的调控和精确的核磁共振（NMR）技术，揭示了伪间隙不仅仅是反铁磁性造成的简单现象，而是由多种物理效应共同作用的结果。通过这一研究，科学界对铜氧化物中伪间隙的形成机制有了新的认识，并为设计更高性能的超导材料提供了重要的理论支持。
研究亮点
1.实验首次测量了YBa2Cu3Oy在低温下的自旋易感性，并成功抑制了超导性。通过应用高磁场，抑制了YBa2Cu3Oy中的超导配对效应，研究人员首次能够在低温下准确测量其自旋易感性。该实验利用了17O和89Y核磁共振（NMR）技术，测量了YBa2Cu3Oy的Knight移位（Kspin），从而获得了与自旋易感性（χspin）相关的数据。实验的关键在于通过高磁场去除了超导性影响，使得得到的Kspin数据能够忠实反映正常态下的自旋易感性。
研究发现，YBa2Cu3Oy在低温下的自旋易感性呈现出两个热激活贡献，每个贡献来自不同的能隙。通过拟合实验数据，发现低温行为可以通过带隙ΔL来精确描述，并且这个能隙与短程电荷密度波和自旋单重态的形成有关。研究提出，伪间隙应被视为复合性质，包含了不同的物理现象，而不仅仅是由反铁磁性（AFM）相关性引起的。特别地，低掺杂铜氧化物在未发生自旋条纹序的情况下，更倾向于形成短程自旋单重态，进而在低温下补充了伪间隙的表现。 2.实验通过不同掺杂浓度的样品，实验表明Kspin的低温行为与掺杂水平密切相关。随着掺杂浓度的增加，Kspin的残余值（Kres）也随之增加，这表明随着掺杂的变化，伪间隙的成分和特征发生了变化。此外，实验发现该系统在短程CDW有序区间内表现出与温度和掺杂水平相关的明显变化，这为深入理解铜氧化物中伪间隙的形成机制提供了新的视角。
图文解读
图1: 在自旋磁化率中，具有能隙或赝能隙的系统示例。图3: 欠掺杂YBa2Cu3Oy双能隙现象学和相图。
总结展望
本文的研究揭示了YBCO材料中自旋空隙的形成机制，指出其由短程反铁磁（AFM）相关性、短程密度波（CDW）秩序以及自旋单重态贡献。这为伪空隙（pseudogap）现象提供了新的理解，表明伪空隙不仅仅是由单一物理过程引起的，而是多种物理效应共同作用的结果。文章提出，YBCO的伪空隙状态可能与其晶格的正交性、比其他铜氧化物（如La基体）更强的单重态形成倾向、以及可能的不同CDW周期性密切相关。这些结果提示，材料的微观结构和电子相互作用在决定超导材料的电子行为上扮演了关键角色。此外，研究强调了实验与数值模拟之间的差异，特别是在自旋条纹的形成问题上，呼吁更多高场NMR等实验手段来深入探讨这一问题。总的来说，本文的研究为理解高温超导材料中复杂电子态的形成提供了新的视角，并为未来的理论与实验研究指明了方向。 Zhou, R., Vinograd, I., Hirata, M. et al. Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor. Nat. Phys. (2024).https://doi.org/10.1038/s41567-024-02692-w
