氧化铜高温超导体(简称铜基超导体)是大气压下转变温度最高的超导材料体系。其微观机制已入选33，360，010-30，000，125重大科学问题之一，至今仍是凝聚态科学最大的谜团和挑战之一。由于Cu基超导体的强Jahn Teller效应和层间库仑效应，Cu-O在C方向的键长比在Cu-O平面内的键长长，导致Cu-O六配位八面体处于基本电子构型的拉伸状态。对于拉伸配位结构，铜的3 x2Y2轨道在3z2-r2轨道之上，并且与面内氧的2P轨道强烈杂化。这个图像构成了理解铜基超导材料的起点(参见Keimer et al. Nature 518，179 ~ 186 (2015))。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室研究员金长青及其合作者长期从事铜基超导材料新结构的设计和高压合成。研究对象集中在铜和碱土金属氧化物体系，它们是能够形成铜基超导材料基本结构的最简单的化学成分。这种简单成分的独特之处在于，既能集中研究铜基超导的核心元素，又能避免稀土、铋、汞等昂贵且有毒的元素。常压下制备铜基超导材料所需，有利于新材料的进一步应用和拓展。利用高压高温制备技术，他们先后发现了“铜系”(Physica C 223，238(1994)；物理评论B 61，778(2000年))；中国科学48，87405 (2018))，“顶角氧”掺杂系统(Nature 375，301(1995)；物理评论B 74，100506(R) (2006年)；Phys. Rev. B 80，94523 (2009)(编者建议)等具有新结构的铜基超导材料体系。其中“铜基”超导材料的Tc可高达118K，曾入选《科学通报》封面，以纪念液氮温区超导材料发现30周年(Science Bulletin 62，3947(2017))。团队20多年对新型铜基超导材料的系统研究，在国际上形成了自己的特色。
通过10万巴超高氧压合成技术的创新(MRS Advances 2，2587 (2017))，金长青指导研究生李文敏制备并发现了一类新的超导材料Ba2CuO4-Y，这是目前唯一具有压缩铜氧局域配位的铜基超导材料。对于压缩配位构型，铜的3d 3z2-r2轨道将位于x2-y2轨道之上，这与“传统”拉伸配位的轨道序列显著不同。x射线吸收光谱实验表明Ba2CuO4-y超导体处于过掺杂区，对应于“传统”铜基超导体的非超导相区。根据现有理论，压缩配位构型、过剩掺杂载流子浓度、可能的特殊面内结构都不利于超导，Ba2CuO4-y仍然表现出高达73K的超导转变温度。与相同基本晶体结构和正常轨道序的La2CuO4体系相比，Ba2CuO4-y的Tc提高了80%以上。这些实验现象表明Ba2CuO4-y属于一种全新的铜基超导材料，不同于传统的超导材料。上述工作最近发表在《美国科学院院刊》(W.M.Li等《美国国家科学院院刊》116，12156 (2019))。美国科学院院士、巴丁奖获得者、著名超导理论专家Scalapino教授以“高TC家族的一个不同分支”为题，同期写了一篇专题综述(这种材料具有顶点氧距短、过掺杂的特点，这意味着它属于铜基高温超导材料的不同分支。挑战许多现有的高温超导机制：然而，这种高度过掺杂的铜酸盐的显著高Tc及其短的Cu顶点O分离和CuO2平面中的O空位表明它是高温铜酸盐材料的不同分支的成员，这挑战了许多高Tc理论的基本租户.美国国家标准局黄教授、德国马普物理化学研究所胡教授和美国哥伦比亚大学Uemura教授在中子衍射、光电子吸收谱和uSR谱的实验表征方面密切合作。美国佛罗里达大学的斯图尔特教授和日本东京大学的内田教授参与了实验结果的讨论。这项研究是由国家重大研究资助的。d计划和基金会的重大国际合作项目。
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www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1900908116;
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1907649116
图1。单层铜氧平面结构铜基超导材料的铜氧键长、铜氧配位构型以及3dx2-y2和3z2-r2轨道的相对顺序。其中La系、Bi系和Tl(Hg)系的顶点氧距大于面内铜氧键长，呈现拉伸的铜氧六配位构型，导致3dx2-y2轨道在3dz2轨道之上。Ba214的面内铜氧键长大于顶角的氧距离，形成了目前唯一的压缩铜氧配位构型，导致3dx2-y2轨道上方的3dz2轨道。
图2. 通过X射线吸收谱测得掺杂浓度。(A) Ba214 and LSCO的氧K边吸收谱，U和H分别源于O1s芯能级至铜的上Hubbard带和掺杂空穴态，对应于Cu2态和Cu3态 (即Zhang Rice单态)。(B) Ba2CuO3.2、过掺杂的LSCO(x = 0.34)和LaCuO3的铜L侧吸收光谱显示Ba2 http://www . Sina . com/3.2的铜的价态高于掺杂的。
CuO
