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wangyikeco

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[交流] 高温超导中的电荷载流子成对机制再获新见！已有1人参与

高温超导现象至今仍未被完全理解。近日，BESSY II 的一支国际研究团队在未掺杂的 La₂CuO₄ 中测量了电荷载流子成对的能量。他们发现，在可能发生超导的铜氧层中，电荷载流子之间的相互作用能量显著低于绝缘的镧氧层。这一研究成果有助于加深我们对高温超导机理的理解，并可能对其他功能材料的研究同样具有重要意义。相关研究发表在《Nature Communications》上。

大约 40 年前，一类新材料突然进入研究焦点：高温超导体。这些材料不仅能够在接近绝对零度（0 K 或 -273°C）时实现无能量损耗的导电，而且还能在远高于该温度的环境中依然保持超导性，尽管距离室温仍有差距。

这些材料已经在技术上有所应用。然而，这种超导现象的本质机制仍未完全清晰。已知的是，在特定条件下，载流子之间的特定相互作用使它们能够平滑地穿过晶格。

现在，由 BESSY II 的 Alexander Föhlisch 教授领导的国际团队，通过实验精确测量了氧原子上的电荷载流子成对能量。实验样品来自罗马大学，由铜氧层与镧氧层交替构成，化学式为 La₂CuO₄。

当该化合物被掺杂外来原子时，可以在低于 40 K 的条件下表现出超导性，其中超导性发生在 CuO 层，而 LaO 层依然保持绝缘。研究认为围绕氧原子的空穴（即氧空穴）在超导中起关键作用。本次实验在未掺杂的 La₂CuO₄ 样品上，于室温条件下进行。“我们希望了解载流子在这两种氧化物层中相互作用的强度以及它们之间的差异。”负责此次研究的第一作者 Danilo Kühn 博士解释说，他是在 Uppasala-柏林联合实验室期间于 BESSY II 完成的测量。

实验中，研究团队使用了具有独特配置的飞行时间能谱仪，通过俄歇光电子符合谱（Auger photoelectron coincidence spectroscopy）来探测电子成对行为。特殊的 X 射线脉冲（PPRE 脉冲）以数百纳秒的间隔照射样品，使研究者能够从容解析那些在数百万倍更短时间内发生的相互作用过程。

“我们的方法之所以有效，是因为它能选择性地观察与超导性直接相关的铜氧层。”Kühn 表示。实验结果显示，铜氧层中的相互作用能量明显低于绝缘的镧氧层。

“这些结果将帮助我们进一步理解高温超导的机制。”Föhlisch 总结道，“这一测量方法也同样有潜力为其他功能材料研究提供新见解。”

More information: Danilo Kühn et al, Direct observation of the on-site oxygen 2p two-hole Coulomb energy in La2CuO4, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65314-w

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