清华/复旦/北大三校联合发Nature

一、导读

在过去的三十年中，凝聚态物理研究的一个突出挑战是理解高转变温度(高Tc)铜氧化物的赝隙(PG)现象。PG现象普遍存在于高转变温度的铜氧化物中，表现为费米能级附近电子态的部分消失。它的微观起源一直是凝聚态物理学的中心问题，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，即时间反转对称(TRS)以及空间旋转和反转对称在T*以下被打破。然而，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。LTEM(洛伦兹透射电镜)可以在真实空间中成像，达到10纳米以下的空间分辨率。与中子散射相比，实空间观测的优势在于其可以捕捉单个自旋纹理实例，以及它们的结晶/熔化过程作为温度和磁场的函数。本文通过使用LTEM结合低漂移液氦级，第一次在PG状态下的低掺杂铜酸盐YBa₂Cu₃O_6.5中直接观察到拓扑自旋结构。

二、成果掠影

最近，来自清华大学的朱静院士，复旦大学的车仁超教授和北京大学的李源副教授第一次使用洛伦兹透射电子显微镜，直接观察到在PG状态下的低掺杂铜酸盐YBa₂Cu₃O_6.5中的拓扑自旋纹理。这种拓扑自旋纹理具有涡状磁化密度，长度约为100 nm。本工作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。最后拓扑自旋结构、PG态、电荷顺序和超导性之间有趣的相互作用也被讨论。相关成果以”Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor”为题发表在国际综合顶级期刊Nature期刊上。

三、核心创新点

(1) 首次利用LTEM解析了铜氧化物中PG的拓扑三维结构；

(2) 阐明了拓扑自旋结构、PG态、电荷顺序和超导性之间的相互关系；

四、数据概览

图1 PG区YBa₂Cu₃O_6+x的相图及拓扑自旋纹理；a，不同方法下YBa₂Cu₃O_6+x中PG态和对称破构温度T*的相图。红色三角形代表由共振x射线测量报告的近程CDW (TCDW)的形成温度。b, YBa₂Cu₃O_6+x的晶体结构模型。c、TEM试样的尺寸和几何形状。d, TEM样品的低倍率高角度环形暗场扫描TEM (HAADF-STEM)图像。e-g，在TEM内聚焦、过聚焦和欠聚焦Fresnel模式下获得零场态的电子显微照片。h.对应的磁场强度，500nm。j-n, e-i中红框区域的磁化纹理。o,p，利用QPt软件对TEM图像的盒状区域进行分析得到磁化纹理。箭头和彩色刻度表示平面内磁化的方向和大小。q,r，两种可能拓扑磁结构的磁化结构示意图。© 2023 Springer Nature Limited

图2 不同磁场和温度场下拓扑自旋纹理的演化；a-j，在300 K (a-e)和10 K (f-j)温度下，从左到右增加外磁场，获得对应YBa₂Cu₃O_6.5的拓扑自旋纹理的TEM图像。k-t, YBa₂Cu₃O_6.5的拓扑自旋纹理在零场状态下从左到右减小外部温度场的TEM图像。u,v，相对信号大小随磁场和温度的变化。© 2023 Springer Nature Limited

图3 YBa₂Cu₃O_6.5具有和不具有拓扑自旋织构的原子和电子结构；a, YBa₂Cu₃O_6.5的低倍率过焦TEM图像。b,c，区域1和区域2的电子衍射图 d，基于晶体结构模型模拟了区域1和区域2的衍射图样。e，对应于链层氧无序和氧有序的YBa₂Cu₃O_6.5晶体结构模型。f,g，沿c轴区域1和区域2的Cu-O链和CuO2平面示意图。h，沿b轴区域1和区域2的晶体结构示意图。i，获取EELS映射时的高角度环形暗场扫描TEM (HAADF-STEM)图像。j，计算零磁场条件下得到试样的厚度图。k,l, o1s和o2p的吸收功。© 2023 Springer Nature Limited

图4 YBa₂Cu₃O_6+x拓扑自旋纹理的相图。a - c，零场状态，温度为300 K， TEM聚焦模式下获得YBa₂Cu₃O_6.0, YBa₂Cu₃O_6.5和YBa₂Cu₃O_6.9的电子显微照片。插图显示了相应的电子衍射。d-f，对应磁化纹理。g, YBa₂Cu₃O_6+x中拓扑自旋织构的相图。© 2023 Springer Nature Limited

五、成果启示

自旋纹理是凝聚态物理研究的难点，需要使用高端表征结构才能发现，本工作对其结构的解析解开了PG状态与CDW和超导相之间的破缺之谜。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05731-3

本文由虚谷纳物供稿