BCS超導理論對金屬或合金等傳統超導體的超導機理給出了完美的解釋。對BCS超導理論決定性的實驗驗證，特別是揭示傳統超導體中電子配對是通過交換聲子作為媒介而實現，則來自于隧道能譜實驗對超導配對關聯譜函數的確定。超導配對關聯譜函數提供了指認導致電子配對的相互作用或媒介的關鍵指紋特征，其實驗確定成為理解超導機理的關鍵。銅氧化物高溫超導體的高臨界超導溫度及d波配對對稱性等奇異特性，對傳統的BCS超導理論提出了挑戰。經過近三十年的大量理論和實驗研究，銅氧化物高溫超導體的超導機理仍然沒有形成共識。由于銅氧化物高溫超導體具有強烈各向異性的電子結構和d波超導能隙，依靠傳統的隧道能譜實驗來獲取超導配對關聯譜函數的方法不再簡單適用。角分辨光電子能譜技術因為具有直接分辨動量的能力，被認為是最有希望在銅氧化物高溫超導體中獲得超導配對關聯譜函數的新的首選手段。長期以來，這項工作因面臨兩方面的挑戰而難以開展，一是角分辨光電子能譜的測量必須滿足極為嚴苛的超高精度的要求，二是必須發展通過角分辨光電子能譜數據解析出d波超導體中超導配對關聯譜函數的相關理論及數值分析方法。

　　中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)超導國家重點實驗室周興江研究組的JinMo Bok、俞理及張文濤、何俊鋒和張玉曉等，與美國加州大學Riverside分校教授 Chandra Varma和韓國成均館大學教授Han-Yong Choi等合作，利用自主研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜具有超高精度的優勢，發展了相關的理論和數值分析方法，經過近七年的努力和積累，第一次成功解析出銅氧化物高溫超導體的配對關聯譜函數，在理解高溫超導體的電子配對機理方面取得重要進展。

　　真空紫外激光角分辨光電子能譜系統的使用，為銅氧化物高溫超導體Bi2212在不同溫度和不同動量空間獲得超高精度的系統測量提供了可能(圖1)。通過d 波超導態格林函數對角分辨光電子能譜數據的自洽擬合分析（圖2），可以成功提取出Bi2212高溫超導體的正常自能和配對自能(圖3)。結合Eliashberg理論和運用最大熵方法，通過反演在國際上首次定量獲得了正常關聯譜函數（normal Eliashberg function）和配對關聯譜函數(pairing Eliashberg function)及其隨動量和溫度的演變關系（圖4）。突出的實驗結果包括：(1) 不論是正常關聯譜函數，還是配對關聯譜函數，除了低能（~50meV）結構之外，都包含類似的不隨能量演變的高能部分，表明銅氧化物高溫超導體與傳統超導體具有顯著不同的電子配對起源；(2) 在低溫超導態，正常關聯譜函數和配對關聯譜函數趨于一致，第一次從實驗上提供了導致正常自能和配對自能形成的元激發來源一致的直接證據；(3) 正常關聯譜函數基本不隨動量演變，揭示了銅氧化物高溫超導體的一個核心悖論: 同樣的漲落產生的正常自能和動量無關，但產生的配對自能則處于d 波通道；(4) 根據這些定量確定的配對關聯譜函數估算出的臨界超導溫度，與實驗材料的超導溫度基本一致。

　　這項工作首次直接揭示出了銅氧化物高溫超導體中超導驅動激發譜的能量和動量特征，通過與目前普遍存在的配對媒介模型（聲子、自旋漲落、Hubbard模型漲落和回路電流序漲落等）進行詳細比較，為甄別和確立高溫超導配對機理和進一步的理論研究提供了決定性的關鍵信息。同時圍繞這項工作所發展的實驗技術、理論研究和數值方法等，為研究其它超導體的超導機理開辟了一種統一而有效的途徑。國際著名超導理論物理學家Lev Gorkov在評論該項工作時指出：“這篇文章在直接從實驗上獲得相關的電子-電子相互作用方面是一個大膽和成功的嘗試。他們高超的研究方法，為研究其它強關聯體系的超導機理開啟了新的前景”。

　　相關研究結果發表在近期的Science Advances上【JinMo Bok et al., Quantitative determination of pairing interactions for high-temperature superconductivity in cuprates, Science Advances 2, e1501329 (2016)】。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學基金委（11190022 和 11334010)、科技部和中科院先導B項目等基金的資助。

圖1. 超高精度真空紫外激光角分辨光電子能譜對高溫超導體Bi2212 (Tc=89K) 的測量結果。

圖2. 高溫超導體Bi2212在超導態和正常態的角分辨光電子能譜數據及其格林函數擬合分析。

圖3. 通過角分辨光電子能譜測量獲得的高溫超導體Bi2212的正常自能和配對自能。

圖4. 高溫超導體Bi2212通過Eliashberg方程反演獲得的正常關聯譜函數以及配對關聯譜函數。