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研究背景

偽間隙是銅氧化物超導體中最為復雜和令人困惑的現象之一，因其對理解配對機制至關重要而成為了研究熱點。然而，偽間隙的本質仍存在諸多未解之謎，尤其是在低溫下，自旋易感性隨溫度下降的變化仍無法明確解釋。這一現象往往被認為是由反鐵磁性（AFM）關聯引起的，但自旋易感性在低溫下會受到超導配對的影響，導致正常態的自旋易感性無法被準確測量。因此，如何揭示低溫下偽間隙的真實物理機制，仍然是一個重大挑戰。

成果簡介

為了解決這一問題，法國圖盧茲第三大學周睿（現中國科學院物理所），Marc-Henri Julien等在Nature Physics期刊上發表了題為“Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor”的最新論文。研究人員通過在高磁場下抑制超導性，成功地測量了YBa2Cu3Oy（YBCO）樣品的自旋易感性，避免了超導性對數據的干擾。研究發現，低溫下的自旋易感性呈現出兩個熱激活貢獻，每個貢獻來自不同的能隙，其中一個與短程電荷密度波（CDW）相關，另一個與自旋單重態的形成有關。

研究表明，這兩種現象共同促成了低溫下的偽間隙行為，并且補充了在高溫下由短壽命反鐵磁性引起的偽間隙。研究者進一步提出，偽間隙應被視為一種復合性質，且在不發生自旋條紋序的情況下，欠摻的銅氧化物傾向于形成短程自旋單重態。這些成果為偽間隙的理解提供了新的視角，并為銅氧化物超導體的配對機制研究開辟了新的方向。

研究亮點

1. 實驗首次測量了YBa2Cu3Oy在低溫下的自旋易感性，并通過高磁場抑制超導性，獲得了關于正常態自旋易感性的關鍵數據。實驗結果揭示了低溫下自旋易感性隨溫度變化的激活行為，并提供了兩個熱激活貢獻和一個殘余成分的清晰描述。

2. 實驗通過17O和89Y核磁共振（NMR）測量了自旋部分的Knight移位，并確定了偽間隙的形成機制。通過高磁場抑制超導性，發現了兩個不同的能隙：一個低溫能隙（ΔL）與短程電荷密度波（CDW）相關，另一個與自旋單重態的形成相關。殘余成分Kres與無能隙激發有關，進一步驗證了偽間隙的復合性質。

3. 實驗揭示了偽間隙的復合性質，并提出偽間隙應視為短程電荷密度波、自旋單重態及反鐵磁性相互作用的共同結果。研究發現，在不發生自旋條紋序的情況下，欠摻YBa2Cu3Oy材料傾向于形成短程自旋單重態，這為理解銅氧化物超導體的偽間隙行為提供了新的視角。

圖文解讀

圖1: 在自旋磁化率中，具有能隙或贗能隙的系統示例。

圖2: 自旋磁化率的溫度和摻雜依賴性。

圖3: 欠摻雜YBa2Cu3Oy雙能隙現象學和相圖。

結論展望

本文通過對YBCO體系中自旋間隙和偽間隙的研究，揭示了短程反鐵磁（AFM）關聯、CDW秩序及自旋單重態在偽間隙形成中的作用。研究表明，偽間隙不僅是由短程自旋單重態和CDW秩序引起的，還與低溫下的反鐵磁關聯相關，提示偽間隙可能是多種物理現象的復合效應。這為理解YBCO中的偽間隙問題提供了新的視角，即不同的物理現象在不同摻雜濃度和溫度下相互作用，共同影響偽間隙的形成和演化。

同時，本文還探討了YBCO與其他高溫超導體（如La-based銅氧化物）的對比，強調了不同材料中自旋秩序和CDW的異同。這些發現為未來的理論研究提供了重要線索，尤其是在單帶Hubbard模型和類似材料的數值研究中，理論與實驗之間仍存在一定的差距。因此，進一步的實驗研究，尤其是高場NMR實驗，將有助于深入理解YBCO中自旋和電子間的復雜相互作用及其對偽間隙的貢獻。

文獻信息

Zhou, R., Vinograd, I., Hirata, M. et al. Signatures of two gaps in the spin susceptibility of a cuprate superconductor. Nat. Phys. (2024).

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