清華/復旦/北大三校聯合發Nature

一、 導讀

在過去的三十年中，凝聚態物理研究的一個突出挑戰是理解高轉變溫度(高Tc)銅氧化物的贗隙(PG)現象。PG現象普遍存在于高轉變溫度的銅氧化物中，表現為費米能級附近電子態的部分消失。它的微觀起源一直是凝聚態物理學的中心問題，可能與超導機理密切相關。一些研究指出了在PG相邊界(通常稱為T*)發生相變和對稱性破缺的可能性，即時間反轉對稱(TRS)以及空間旋轉和反轉對稱在T*以下被打破。然而，到目前為止，還沒有實驗報道在真實空間中這種不尋常的(可能是組合的)對稱破缺的形態。LTEM(洛倫茲透射電鏡)可以在真實空間中成像，達到10納米以下的空間分辨率。與中子散射相比，實空間觀測的優勢在于其可以捕捉單個自旋紋理實例，以及它們的結晶/熔化過程作為溫度和磁場的函數。本文通過使用LTEM結合低漂移液氦級，第一次在PG狀態下的低摻雜銅酸鹽YBa₂Cu₃O_6.5中直接觀察到拓撲自旋結構。

二、成果掠影

最近，來自清華大學的朱靜院士，復旦大學的車仁超教授和北京大學的李源副教授第一次使用洛倫茲透射電子顯微鏡，直接觀察到在PG狀態下的低摻雜銅酸鹽YBa₂Cu₃O_6.5中的拓撲自旋紋理。這種拓撲自旋紋理具有渦狀磁化密度，長度約為100 nm。本工作確定了拓撲自旋紋理存在的相圖區域，并證明了正交- ii氧階和合適的樣品厚度是技術觀測拓撲自旋紋理的關鍵。最后拓撲自旋結構、PG態、電荷順序和超導性之間有趣的相互作用也被討論。相關成果以” Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor”為題發表在國際綜合頂級期刊Nature期刊上。

三、核心創新點

(1) 首次利用LTEM解析了銅氧化物中PG的拓撲三維結構；

(2) 闡明了拓撲自旋結構、PG態、電荷順序和超導性之間的相互關系；

四、數據概覽

圖1 PG區YBa₂Cu₃O_6+x的相圖及拓撲自旋紋理；a，不同方法下YBa₂Cu₃O_6+x中PG態和對稱破構溫度T*的相圖。紅色三角形代表由共振x射線測量報告的近程CDW (TCDW)的形成溫度。b, YBa₂Cu₃O_6+x的晶體結構模型。c、TEM試樣的尺寸和幾何形狀。d, TEM樣品的低倍率高角度環形暗場掃描TEM (HAADF-STEM)圖像。e-g，在TEM內聚焦、過聚焦和欠聚焦Fresnel模式下獲得零場態的電子顯微照片。h.對應的磁場強度，500nm。j-n, e-i中紅框區域的磁化紋理。o,p，利用QPt軟件對TEM圖像的盒狀區域進行分析得到磁化紋理。箭頭和彩色刻度表示平面內磁化的方向和大小。q,r，兩種可能拓撲磁結構的磁化結構示意圖。? 2023 Springer Nature Limited

圖2 不同磁場和溫度場下拓撲自旋紋理的演化；a-j，在300 K (a-e)和10 K (f-j)溫度下，從左到右增加外磁場，獲得對應YBa₂Cu₃O_6.5的拓撲自旋紋理的TEM圖像。k-t, YBa₂Cu₃O_6.5的拓撲自旋紋理在零場狀態下從左到右減小外部溫度場的TEM圖像。u,v，相對信號大小隨磁場和溫度的變化。? 2023 Springer Nature Limited

圖3 YBa₂Cu₃O_6.5具有和不具有拓撲自旋織構的原子和電子結構；a, YBa₂Cu₃O_6.5的低倍率過焦TEM圖像。b,c，區域1和區域2的電子衍射圖 d，基于晶體結構模型模擬了區域1和區域2的衍射圖樣。e，對應于鏈層氧無序和氧有序的YBa₂Cu₃O_6.5晶體結構模型。f,g，沿c軸區域1和區域2的Cu-O鏈和CuO2平面示意圖。h，沿b軸區域1和區域2的晶體結構示意圖。i，獲取EELS映射時的高角度環形暗場掃描TEM (HAADF-STEM)圖像。j，計算零磁場條件下得到試樣的厚度圖。k,l, o1s和o2p的吸收功。? 2023 Springer Nature Limited

圖4 YBa₂Cu₃O_6+x拓撲自旋紋理的相圖。a - c，零場狀態，溫度為300 K， TEM聚焦模式下獲得YBa₂Cu₃O_6.0, YBa₂Cu₃O_6.5和YBa₂Cu₃O_6.9的電子顯微照片。插圖顯示了相應的電子衍射。d-f，對應磁化紋理。g, YBa₂Cu₃O_6+x中拓撲自旋織構的相圖。? 2023 Springer Nature Limited

五、成果啟示

自旋紋理是凝聚態物理研究的難點，需要使用高端表征結構才能發現，本工作對其結構的解析解開了PG狀態與CDW和超導相之間的破缺之謎。

論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05731-3

本文由虛谷納物供稿