• 研究背景

铜氧化物高温超导体是典型的强关联多电子系统，这里强的量子涨落和电子关联不仅与载流子之间的耦合强度有关，而且与掺杂的载流子浓度有关，由此导致了铜氧化物高温超导体中奇异的物理性质随掺杂浓度而变化，这里掺杂区域则分别被依次划分为欠掺杂、最佳掺杂和过掺杂。欠掺杂区域的正常态以赝能隙为特征，这个赝能隙会部分抑制电子费米面上的电子态密度。这也是为什么在欠掺杂区域，温度高于超导转变温度的正常态被称之为赝能隙态。然而在过掺杂区域，正常态的特征则体现在不符合传统的费米液体行为的反常低温物理性质上，因此过掺杂区域的正常态被称之为奇异金属态。

• 研究过程及结果

中国科学院物理研究所马兴宇、重庆大学曾明欢、北京航空航天大学郭怀明、以及北京师范大学冯世平最近在MDPI期刊Condensed Matter 发表了重要研究论文 “Impurity-Scattering Assisted Umklapp Scattering as the Origin of Low-Temperature Resistivity in the Normal State of Cuprate Superconductors”，作者以前期在动能驱动的高温超导电性理论框架下获得的铜氧化物高温超导体正常态的电子费米面、正常态赝能隙、自旋赝能隙以及与之相关联的低能电子结构作为出发点，系统地研究了铜氧化物高温超导体从欠掺杂赝能隙态的低温平方温度电阻到过掺杂奇异金属态的线性温度电阻的剧烈转变。他们详细阐明了杂质散射和通过交换有效自旋传播子的电子倒逆散射在铜氧化物高温超导体正常态电荷输运过程中的协同作用：杂质散射并非只是带来残余电阻的“背景因素”，它能够将分布函数的修正限制在费米面反节点及其附近；在这一条件下，通过交换有效自旋传播子的电子倒逆散射则是低温电阻奇异行为的核心所在。换言之，杂质散射为电子倒逆散射打开了有效通道，而电子倒逆散射则进一步导致了正常态反常的电阻行为。更特别的是在这个杂质散射辅助的电子倒逆散射机制中存在一个与掺杂浓度密切相关的特征温度Tscale (见图1a)。这个特征温度Tscale与反节点处最小的电子倒逆散射波矢的平方成比例，并且在欠掺杂区域内，Tscale随掺杂浓度的变化呈现出与反节点自旋赝能隙相似的行为 (见图1b)，反映了低能自旋激发在铜氧化物高温超导体反常物理性质方面起到了关键作用。

在以上杂质散射辅助的电子倒逆散射机理下，作者采用玻尔兹曼输运方程数值计算了从欠掺杂区域到过掺杂区域的低温电阻，获得的结果 (见图2) 说明在过掺杂奇异金属态，当温度高于Tscale时，电阻呈现线性温度依赖行为，然而在欠掺杂赝能隙态，当温度低于Tscale时，反节点自旋赝能隙的存在压制了反节点周围低能自旋激发的态密度，从而减弱了反节点周围杂质散射辅助的电子倒逆散射的散射强度，因此导致了欠掺杂赝能隙态中的低温电阻呈现二次方温度的依赖行为。作为一个自然的结果，过掺杂奇异金属态的线性温度电阻剧烈转变到了欠掺杂赝能隙态的平方温度电阻。结合这项研究工作和北京师范大学课题组以前在动能驱动的高温超导电性理论框架下完成的对于铜氧化物高温超导体其它核心要素的系列研究工作表明这种像玻色子胶水一样将电子对结合在一起而导致超导电性的自旋激发，也在正常态中与电子相互耦合，然后电子之间通过交换这些同样的自旋元激发而产生的相互耦合 (散射) 则导致了铜氧化物高温超导体中一系列奇异的物理性质。这些研究工作也有助于铜氧化物高温超导体微观理论的建立。

研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目以及重庆市博士后研究项目特别资助。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2410-3896/11/2/17

• Condensed Matter 期刊介绍

主编：Antonio Bianconi, Rome International Center for Materials Science Superstripes (RICMASS), Italy

创刊于2016年，期刊主题涵盖固体物理学、磁学、物质结构与相变、复合材料和合金的性质、材料的电子性质、超导性、自旋电子学、复杂凝聚态中的量子现象、软凝聚态和活性物质、应用于凝聚态的计算方法、量子时代的能源和电子材料等。目前期刊已被Scopus、ESCI (Web of Science)、Inspec、CAPlus/SciFinder等多个学术数据库收录。

2025 Impact Factor：1.5

2025 CiteScore：3.4

Time to First Decision：22 Days

Acceptance to Publication：4.4 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/condensedmatter

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