对固体施加一个压力，晶格常数会变小，由此可增加能带宽度，把一个绝缘体转变为导体。这是高压诱导的绝缘体向导体的转变，是固体材料常见的物理现象，被称之为Wilson转变。把一个金属甚至超导体通过压力，在不改变电子的价键特性的前提下转变为绝缘体是一件非常困难的事。但这个几乎不可能发生的物理现象最近被发现了。
日前，该现象由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室孙力玲研究员团队与中国科学院高能物理研究所同步辐射装置4W2高压实验站李延春副研究员、宫宇助理研究员合作，利用中国科学院高能物理研究所同步辐射装置4W2高压实验站在国内率先建立的高压-低温X射线衍射（XRD）实验装置，通过高压研究手段对Bi2212铜氧化物超导体开展研究的过程首次发现。研究团队采用独立发展的高压原位电阻-磁化率一体化测量技术对这类超导体进行了系统的研究，发现欠掺杂、最佳掺杂和过掺杂Bi2212铜氧化物超导体在较低的压力下超导转变温度(Tc)升高到一定值后开始单调下降直至被完全抑制，随之系统并没有转变成人们通常预期的金属态，而是令人意外的进入了一个类绝缘体态，超导态与这种绝缘体态通过量子相变点相连接。进一步的实验结果表明，上述压力诱导的超导-类绝缘态量子相变不仅在每个晶胞具有两层CuO2面的Bi2212系统中出现，而且在每个晶胞具有一层和三层CuO2面的Bi2201和Bi2223系统中也存在。这是在铜氧化物高温超导体中首次观测到压力导致的超导-绝缘体量子相变现象。这一新现象的发现，对现有的固体理论是一个挑战，为建立正确的关联电子理论框架提供了新的研究课题。
研究表明在上述量子相变发生的压力临界点附近，没有出现压力诱发的结构相变，在实验上证实了所发现的超导-类绝缘体相变的不是源于结构相变，而是电子间的相互作用。
本研究是国内首次利用高压-低温原位XRD射线测量装置对高温超导体开展的工作，表明高压线站的研究能力有了新的拓展。
该项研究以“Quantum phase transition from superconducting to insulating-like states in a pressurized cuprate superconductor”为题，2022年2月17日在线发表在Nature Physics上。
该项研究得到了科技部、基金委和中科院B类先导专项等支持。
相关工作链接：https://doi.org/10.1038/s41567-022-01513-2
图1 Bi2Sr2CaCu2O8+d铜氧化物超导体在不同压力下面内电阻(R)-温度(T)依赖关系。图(a)和图(d)为欠掺杂(UD)样品的R-T曲线; 图(b)和图(e)为最佳掺杂(OP)样品的R-T曲线; 图e中两个台阶式的转变为2D-3D的超导跃变【Nature Physics 16(2020)295】; 图(c)和图(f)为过掺杂(OD)样品的R-T曲线。
图2 Bi2Sr2CaCu2O8+d铜氧化物超导体的压力-温度归一化相图。 红色区域为超导态， 蓝紫色区域为类绝缘态。
图3 过掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+d铜氧化物超导体高压-低温XRD实验结果。实验中，为了保持与电子测量相图的压力环境， 采用NaCl作为传压介质。图a为不同压力下的XRD衍射数据，样品从0.9 GPa到43 GPa均保持常压晶体结构。衍射峰中 “*”和“D”分别为传压介质NaCl在不同压力下的B1相和B2相的衍射峰。图b和图c 为晶格常数和体积随压力变化的规律。
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