Atomic-scale electronic structure of the cuprate high-temperature superconductors

铜氧化物高温超导体的微观机制是凝聚态物理中最重要的未解难题之一。铜氧化物是典型的掺杂莫特绝缘体，其超导电性产生于强关联电子体系中。该体系的相图涵盖了反铁磁绝缘体、赝能隙态、电荷与自旋有序态、d波超导态以及奇异金属态等丰富的量子物态。近年来，以扫描隧道显微镜-扫描隧道电子谱和扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱为代表的实空间探针技术，在铜氧化物超导体的原子尺度电子结构研究上取得了一系列进展。本文以这些技术的研究成果为主线，系统综述铜氧化物从母体莫特绝缘体经掺杂演化至超导态的过程中的关键电子结构信息，包括：（1）母体电荷转移能隙的直接测量；（2）电荷转移能隙与不同体系的最高超导转变温度 Tc,max 之间的反关联关系及其对配对机制的启示；（3）电荷序与配对密度波随掺杂浓度的演化；（4）欠掺杂区域局部配对到长程相位相干的实验证据；（5）过掺杂区域中正常态的涌现与超导态的逐渐消失。最后，本文讨论了这些实验发现所构建的物理图景，并对未来的发展和挑战进行展望。