南京大学物理学院闻海虎、杨欢团队发现并提出“半玻戈留玻夫”激发图像解释高温超导机理

自从1986年铜氧化物高温超导体被发现，已经过去了将近40年时间，但其非常规高温超导机理问题依然悬而未决，这一问题是美国《科学》杂志选出的125个人类面临的重大科学问题之一。对于常规超导体，1957年创立的Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论能够解释超导的起因，提出理论的三位科学家因此于1973年获得了诺贝尔物理学奖。BCS理论假设两个电子通过交换虚声子形成库珀对并立即凝聚，从而形成具有长程位相相干的宏观量子态，此时超导材料表现出零电阻效应和完全抗磁性。在超导态拆散库珀对会导致单粒子和空穴的对称性激发，在隧道谱上面表现出正负能量对称的“相干峰”。尽管基于电子-声子耦合的BCS理论是解释常规超导体最重要的理论，但它在解释高温超导机制的时候遇到了很大困难。因此，高温超导体中有超越传统BCS理论的重要因素却还没有被理解。

南京大学物理学院闻海虎、杨欢团队一直深耕于高温超导机理问题研究。此次他们利用扫描隧道显微镜技术细致研究了系列空穴欠掺杂的Bi₂Sr_2-xLa_xCuO_6+δ（La-Bi2201）样品中的隧道谱，以期获得超导起源的信息。他们前期发现在铜氧化物超导体中，可能两个空穴被限制在4a₀×4a₀单元格（a₀是铜氧铜的键长），形成局域电子配对【npj Quantum Mater.8: 18 (2023)】，但是并不清楚这样的局域配对如何形成相位相干从而形成宏观尺度的超导态。因此他们进一步在超导刚出现的欠掺杂La-Bi2201样品中，测量了空间不同位置的隧道谱，发现了某些隧道谱呈现只有单边“相干峰”的现象，似乎在空间的某些位置出现了“半玻戈留玻夫”激发形式的隧道谱，因此他们提出了“半玻戈留玻夫”激发的概念，并结合前期得出的双空穴配对的图像对此现象进行了解释，认为这是建立超导相位相干的中间态，该工作为理解高温超导机理问题提供了新的视角【Nat. Commun. 17, 198 (2026)】。

基于BCS理论，超导态受到配对能隙D的保护，因此在费米能处打开了2D的能隙，在能隙内没有准粒子态密度，形成超导玻戈留玻夫色散关系，如图1a所示。拆散库珀对会激发所谓玻戈留玻夫准粒子，这种准粒子混合有电子和空穴的属性。玻戈留玻夫色散在动量-能量空间表现正负能对称，在准粒子态密度随能量分布的关系上也一定表现出正负能对称的两个“相干峰”。图1b显示了d波超导体典型的超导隧道谱，因为其能隙随动量空间角度变化会发生正负号变化，所以能隙内存在有限准粒子态密度而表现为“V”形，在对应能隙最大值处出现正负能对称的“相干峰”。他们在欠掺La-Bi2201超导样品中测量到的很多隧道谱都表现出极度粒子-空穴不对称性，仅在正能或负能的能隙位置出现尖锐的“相干峰”，如图1c所示。对粒子-空穴不对称隧道谱上的正负能“相干峰”进行组合或者平均，可以得到完美的符合玻戈留玻夫色散的d波超导能隙（图1d）。

图1. La-Bi2201中发现的粒子-空穴不对称的“相干峰”。(a) BCS超导中打开能隙后形成的玻戈留玻夫色散，出现正能分支（红）和负能分支（蓝）。(b) d波超导体能隙对应的准粒子态密度随能量变化，具有粒子-空穴对称性，隧道谱测量的dI/dV正比于此态密度。(c) 在La-Bi2201样品中不同位置测量的隧道谱，其中1和2显示了明显的粒子-空穴不对称的“相干峰”。(d) 正负能不对称峰组合或者平均后形成的具有粒子-空穴对称性的隧道谱。

超导相干峰反映了建立超导相位相干的刚度，其谱权重会随着温度和磁场的升高而被抑制。通过变温实验，发现负能和正能的单边峰都会随着温度升高而被抑制（如图2a,b），但外加磁场似乎不会对这两种不对称峰产生明显的影响（图2c,d）。变温和加场实验分别揭示了他们观察到的粒子-空穴不对称峰与超导态玻戈留玻夫准粒子行为的相似与不同，这种特殊的束缚态与超导存在一定关联，但还不能反映完全意义上的超导相干性。这种粒子-空穴不对称峰对应的实空间调制是出现在4a₀×4a₀单元格电荷序调制背景上的，这种单元格被前期的工作认为是两个空穴在实空间配对形成的基态（图2e上栏），但在低空穴浓度的欠掺样品中不同格子之间无法建立很好的相干性。从单粒子隧穿角度看，如果4a₀×4a₀配对单元格内局域化的空穴数目多于两个的平均值，隧穿过程易注入电子导致正能出现尖锐的峰；相反，如果单元格中的空穴数少于两个，则更加容易注入空穴，这导致负能占据态峰的出现（图2e下栏）。基于这样的理解，他们认为极度粒子-空穴不对称的正能或负能单边峰分别对应每个4a₀×4a₀配对单元格占据空穴数目多于和少于两个空穴平均值的情况，即所谓的“半玻戈留玻夫”激发，对应超导相位相干的中间态。正是这种在4a₀×4a₀配对单元格之间进行空穴跃迁从而产生全局超导相干。

图2. 粒子-空穴不对称峰和“半玻戈留玻夫”激发图像。(a,b) 负能单边峰和正能单边峰的谱权重随温度升高而被抑制。(c,d) 正负能单边峰几乎不被磁场压制。(e) 由两个空穴形成的配对基态（上栏），和通过交换中间态以产生相位相干过程（下栏）的示意图。

该工作首次报导了欠掺铜氧化物超导体中的极度粒子-空穴不对称性“相干峰”的隧道谱，并提出了 “半玻戈留玻夫”激发概念对此进行解释。正是在这种局域配对区域间动态交换载流子来实现高温超导相位相干。该工作描述了铜氧化物高温超导体中基于局域配对和建立相位相干的过程，为理解非常规高温超导电性的起源提供了一种新思路。

研究成果以“Half–Bogoliubons as the intermediate states for phase coherence in underdoped cuprates”为题发表在Nature Communications上【Nat. Commun.17, 198 (2026)】。该工作是由闻海虎教授团队独立完成，文章的第一作者是李寒博士，通讯作者是闻海虎教授和杨欢教授。此工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省物理科学研究中心的支持，在此表示感谢。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66904-4