The phase diagram of hole-doped copper oxides shows four different electronic phases existing at zero temperature. Familiar among these are the Mott insulator, high-transition-temperature superconductor and metallic phases. A fourth phase, of unknown identity, occurs at light doping along the zero-temperature bound of the 'pseudogap' regime. This regime is rich in peculiar electronic phenomena, prompting numerous proposals that it contains some form of hidden electronic order. Here we present low-temperature electronic structure imaging studies of a lightly hole-doped copper oxide: Ca2-xNaxCuO2Cl2. Tunnelling spectroscopy (at energies |E| > 100 meV) reveals electron extraction probabilities greatly exceeding those for injection, as anticipated for a doped Mott insulator. However, for |E| < 100 meV, the spectrum exhibits a V-shaped energy gap centred on E = 0. States within this gap undergo intense spatial modulations, with the spatial correlations of a four CuO2-unit-cell square 'checkerboard', independent of energy. Intricate atomic-scale electronic structure variations also exist within the checkerboard. These data are consistent with an unanticipated crystalline electronic state, possibly the hidden electronic order, existing in the zero-temperature pseudogap regime of Ca2-xNaxCuO2Cl2.

Removing electrons from the CuO 2 plane of cuprates alters the electronic correlations sufficiently to produce high-temperature superconductivity. Associated with these changes are spectral-weight transfers from the high-energy states of the insulator to low energies. In theory, these should be detectable as an imbalance between the tunneling rate for electron injection and extraction—a tunneling asymmetry. We introduce atomic-resolution tunneling-asymmetry imaging, finding virtually identical phenomena in two lightly hole-doped cuprates: Ca 1.88 Na 0.12 CuO 2 Cl 2 and Bi 2 Sr 2 Dy 0.2 Ca 0.8 Cu 2 O 8+δ . Intense spatial variations in tunneling asymmetry occur primarily at the planar oxygen sites; their spatial arrangement forms a Cu-O-Cu bond-centered electronic pattern without long-range order but with 4 a 0 -wide unidirectional electronic domains dispersed throughout ( a 0 : the Cu-O-Cu distance). The emerging picture is then of a partial hole localization within an intrinsic electronic glass evolving, at higher hole densities, into complete delocalization and highest-temperature superconductivity.

Breaking Convention The defining characteristics of a superconductor are symmetry of gap function, which tells us something about how pairs of electrons move through the sample, and the strength of that pairing. Together, this information gives us the highest temperature to which the superconductor can remain superconducting. In conventional superconductors the gap function is symmetric, or s-wave, and tends to have low transition temperatures. The newly discovered iron-based superconductors also have s -wave symmetry, but the rather high transition temperatures, in addition to other properties, indicate that they are not conventional. Hanaguri et al. (p. 474 ; see the Perspective by Hoffman ) use scanning tunneling microscopy to provide direct experimental confirmation of the unconventional s -wave pairing of the superconducting carriers in these materials.

Fermi systems in the crossover regime between weakly coupled Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) and strongly coupled Bose-Einstein-condensate (BEC) limits are among the most fascinating objects to study the behavior of an assembly of strongly interacting particles. The physics of this crossover has been of considerable interest both in the fields of condensed matter and ultracold atoms. One of the most challenging issue in this regime is the effect of large spin imbalance on a Fermi system under magnetic fields. Although several exotic physical properties have been predicted theoretically, the experimental realization of such an unusual superconducting state has not been achieved so far. Here we show that pure single crystals of superconducting FeSe offer the possibility to enter the previously unexplored realm where the three energies, Fermi energy $\varepsilon_{\rm F}$, superconducting gap $\Delta$ and Zeeman energy, become comparable. Through the superfluid response, transport, thermoelectric response, and spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy, we demonstrate that $\varepsilon_{\rm F}$ of FeSe is extremely small, with the ratio $\Delta/\varepsilon_{\rm F}\sim1 (\sim0.3)$ in the electron (hole) band. Moreover, thermal-conductivity measurements give evidence of a distinct phase line below the upper critical field, where the Zeeman energy becomes comparable to $\varepsilon_{\rm F}$ and $\Delta$. The observation of this field-induced phase provides insights into previously poorly understood aspects of the highly spin-polarized Fermi liquid in the BCS-BEC crossover regime.

We investigate Dirac fermions on the surface of the topological insulator Bi2Se3 using scanning tunneling spectroscopy. Landau levels (LLs) are observed in the tunneling spectra in a magnetic field. In contrast to LLs of conventional electrons, a field independent LL appears at the Dirac point, which is a hallmark of Dirac fermions. A scaling analysis of LLs based on the Bohr-Sommerfeld quantization condition allowed us to determine the dispersion of the surface band. Near the Fermi energy, fine peaks mixed with LLs appear in the spectra, which may be responsible for the anomalous magneto-fingerprint effect [J. G. Checkelsky et al., Phys. Rev. Lett. 103, 246601 (2009)].