在銅基高溫超導體中，一個廣泛的共識就是超導來源于2維CuO₂面。從80年代發現銅基高溫超導體起，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現的自發量子化磁通實驗[1]。2016年，清華大學薛其坤（今天剛獲得 2018年度國家自然科學獎一等獎，詳情請看今天推送的第一條文章）院士團隊成功地利用分子束外延技術在d波Bi₂Sr₂CaCu₂O8_+δ(Bi2212)超導襯底上生長出單層CuO₂面[2]. 不同于在d波超導體中的節點V型局域態密度，掃描電子顯微鏡（STM）在單層CuO₂面上發現無節點U型局域態密度。這一實驗結果對銅基高溫超導體中已經廣泛認可的CuO₂面d波配對超導體提出新的挑戰。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算重點實驗室胡江平研究員（T06組）與美國波士頓學院汪自強教授、波士頓學院蔣坤博士后和德國維爾茨堡大學吳賢新博士后（物理所博士）合作，通過理論計算發現在Bi2212上的單層CuO₂面是一個多軌道引起的全能隙，無節點高溫超導體。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⁺狀態附近。

在常規銅基超導中，Cu處于3d⁹Cu₂+狀態附近。通常可以通過構建單帶以d__x²-y²為主的Zhang-Rice單態描述CuO₂的電學性質。但在3d⁸Cu³⁺狀態情況下，Cu的d__x²-y²和d__3z²-r²軌道都變得很重要。通過構建一個e_g兩軌道模型發現高度過摻雜CuO₂單層存在兩個不同費米面。在布里淵區中心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）。借鑒鐵基超導中S_±波配對經驗，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波能隙可比的無節點超導體[3]。這些結論與清華大學薛其坤院士團隊實驗吻合。這一研究為高度過摻雜區銅基超導，尤其是臭氧環境下過渡金屬氧化物異質結提供新的研究方向。

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

圖2: (a) 單層CuO₂原子結構。d__3z²-r²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d_x2軌道，綠色三角形表示d_z2軌道，藍色三角形表示O p_z軌道。(c)緊束縛近似下的能帶結構（d）x_h=0.9下的費米面。在布里淵區中心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）。

圖3:（a）x_h=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型局域態密度顯示無節點25meV能隙。

相關研究結果發表在近期的《物理評論快報》上，（Phys. Rev. Lett. 121, 227002(2018)）。該研究得到了科技部（2017YFA0303100，2015CB921300）、國家自然科學基金委（1190020，11534014，11334012）以及中科院（XDB07000000）的資助。（來源：中科院物理所）

文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.227002

參考文獻：
[1]C.C. Tsuei et al., Phys. Rev. Lett. 73,593(1994).
[2]Y. Zhong et al., Sci. Bull. 61, 1239 (2016)
[3]K. Jiang, X. X. Wu, J. P. Hu, Z. Q. Wang, Phys. Rev. Lett. 121, 227002(2018).