埃默里模型中赝能隙的兴衰：对铜氧化物的启示

高温超导体中的一个隐匿相

由铜氧化物制成的高温超导体以在相对较高温度下无电阻传导电流而著称。但在它们进入超导态之前，这些材料会经过一个神秘的状态，称为赝能隙，在该态中部分电子态似乎消失。理解这种隐匿相在材料被调控时如何出现与消失，对于解释这些化合物为何表现异常并为可能利用它们的未来技术提供指导至关重要。

从电绝缘体到良好金属

作者研究了一个捕捉铜氧层关键成分的理论模型，在该层中铜和氧原子共同参与电子的运动。在这个模型里，他们改变加入体系的“空穴”数量，这是实验上调控真实铜氧化物材料的常用方式。在低空穴含量时，体系表现为一个在电子谱上具有完整能隙的绝缘体，电子无法自由移动。随着空穴逐渐增加，材料的性质逐步改变，最终成为常规金属，电子态在费米面周围处处可用、电荷容易流动。

赝能隙的兴起与形态

在绝缘体和金属极限之间，模型进入赝能隙区。在这里，低能电子态并非均匀被抑制，而是主要在动量空间中特定点——称为反节点处消失，而在节点附近仍然保持强烈。这种不均衡产生了费米弧，即本应连续的费米面上的局部段。通过追踪节点与反节点处的谱权重随温度和空穴含量的变化，作者识别出两次交叉：先是从绝缘体到赝能隙，然后从赝能隙到完全金属。因此，赝能隙随着空穴的加入从绝缘态“升起”，在中等掺杂处达到最显著的形态，然后在体系转为金属时逐渐“消落”。

以短程磁性作为驱动力

该研究还考察了磁性涨落如何跨越这些区域发展。在低空穴含量时，自旋相关在许多晶格间距上延伸，这与接近反铁磁有序的背景一致。然而在赝能隙区域，磁相关变为短程，仅跨越少数格点，但仍然强烈且为整合性的，在与反铁磁相关的波矢处达到峰值。当体系在更高空穴含量下进入金属相时，这些涨落改变了性质，变得非整合，峰值从简单的反铁磁图样上偏移开来。作者显示，正是中间区域那种短程、动力学的自旋涨落主要负责以动量选择性的方式打开赝能隙。

将理论与实验连接起来

当理论预测与对多种研究透彻的铜氧化物化合物的广泛实验结果进行比较时，许多趋势一致。角分辨光电子能谱测得的费米弧在相同的掺杂范围内先增长然后重连为完整费米面，这与模型预测相符。中子散射与拉曼测量揭示出在母体绝缘体附近磁相关较长程、在赝能隙区域较短程以及在更高空穴含量时更非整合的行为，这些都对应理论上的相关长度和磁化率图样。核磁共振与磁强计实验也显示出赝能隙区域统一自旋响应的典型下降，随后在更强掺杂的金属态中单调上升，这同样与模型提取的行为相吻合。

这对理解铜氧化物意味着什么

总体而言，这项工作表明，一个现实的三能带铜氧轨道模型能够再现铜氧化物非超导常态下从绝缘、经过赝能隙到金属的整段行为。赝能隙表现为一种与短程反铁磁涨落相关的强耦合现象，而非具有明确边界的简单相变。对非专业读者而言，这意味着在实验中观察到的奇特部分能隙，是电子在铜氧层内在空间和时间上强烈相互影响的自然结果。通过在单一统一框架中捕捉这些效应，该研究将理论家们更接近于对这些复杂材料如何工作的连贯图景。

引用: Malcolms, M.O., Menke, H., Tseng, YT. et al. Rise and fall of the pseudogap in the Emery model, insights for cuprates. Commun Phys 9, 179 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02685-6

关键词: 赝能隙, 铜氧化物超导体, 自旋涨落, 费米弧, 埃默里模型