在銅基高溫超導體中，一個廣泛的共識就是超導來源于二維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。

2016年，清華大學薛其坤團隊成功利用分子束外延技術在d波Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ(Bi2212)超導襯底上生長出單層CuO₂面。不同于在d波超導體中的節點V型局域態密度，掃描隧道顯微鏡（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研究員胡江平（T06組）與美國波士頓學院教授汪自強、波士頓學院博士后蔣坤和德國維爾茨堡大學博士后（物理所博士）吳賢新合作。

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。

圖1: 隨著空穴摻雜濃度（xh）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。

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_{x^{2}-y^{2}})為主的Zhang-Rice單態描述CuO₂的電學性質。

圖2: (a) 單層CuO₂原子結構。(d_{3z^{2}-r^{2}})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dx2軌道，綠色三角形表示dz2軌道，藍色三角形表示O pz軌道。(c)緊束縛近似下的能帶結構（d）xh=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）。

但在3d⁸Cu³⁺狀態情況下，Cu的(d_{x^{2}-y^{2}})和(d_{3z^{2}-r^{2}})軌道都變得很重要。通過構建一個eg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）。

圖3:（a）xh=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。

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。

這些結論與薛其坤團隊實驗吻合。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。

文獻信息：

Jiang K, Wu X, Hu J, et al. Nodeless High-T c Superconductivity in the Highly Overdoped CuO₂ Monolayer[J]. Physical review letters, 2018, 121(22): 227002.