“铜基超导”研究最新《Nature》

“铜基超导”研究最新《Nature》

▲第一作者:J. Ayres, M. Berben
通讯作者:J. Ayres, M. Berben, N. E. Hussey
通讯单位:University of Bristol, UK;Radboud University, Netherlands
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03622-z

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背景介绍

对于普通金属而言,我们可以使用准粒子的概念来理解其宏观性能。而在铜基高温超导体中,高于最高转变温度的金属状态是异常的,被称为“奇异金属”。奇异金属为超导材料带来了无限遐想,但是其中机理并未完全厘清。奇异金属具有高度非常规的电学性质,如线性温度电阻率、随温度平方变化的逆霍尔角和线性场磁电阻。普遍的共识是,铜酸盐中奇异金属丰度与超导穹顶内掺杂p处的量子临界点有关。本工作研究了掺杂水平超过p的两个超导铜酸盐家族的高场面内磁阻,并通过实验验证推翻了这一传统观点。

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本文亮点

  1. 本工作发现在所有的掺杂中,磁阻都表现出正交标度特性,并且在高的场温比下,磁阻都是线性的,这表明奇异金属区的范围远远超过了p*。
  2. 本工作发现磁阻的大小远大于传统理论的预测,并且对杂质散射和磁场取向都不敏感。
  3. 本工作研究结果表明尽管铜酸盐奇异金属区域只有一个单一的带,但它包含两个电荷区,一个是含有相干准粒子的电荷区,另一个是尺度不变的“普朗克”耗散体。

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图文解析

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▲图1. 过掺杂铜酸盐的奇异金属体系

要点:
1、作者通过对过掺杂单层铜酸盐Bi2Sr2CuO6+δ (Bi2201)和Tl2Ba2CuO6+δ (Tl2201)两个家族的面内磁电阻( MR )的研究,进一步探讨了铜酸盐的临界性问题。
2、普遍观点认为,在p*之外,传统的费米液体物理被重新建立。然而,本研究发现在整个体系中,低T电阻率仍然保持有限的T -线性组分。虽然ρab ( T ) ∝T的‘奇异’分量随着p的函数逐渐减小,但在通常的QCP场景内,其持久性难以解释。
3、高场霍尔效应研究显示,在类似的掺杂范围内,霍尔数(25)从1 + p下降到p,同时观察到的超流密度随过度掺杂的下降,与超导电性微观理论(BCS)理论相悖。
4、作者发现将超导过度掺杂的铜酸盐描述为常规金属是不准确的,因此,面内MR也是高度非常规的。

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▲图2. 重掺杂铜酸盐中面内 MR 的正交缩放

要点:
1、本工作所有的Tl2201和Bi2201样品的衍生物dρab ( H,T )/dH在与H/T作图时都会崩塌到一条普适曲线上。此外,该导数的形式与纯正交MR的形式相同,表明pab ( H,T )中所有依赖于场和温度的项都可以用正交表达式很好地描述。
2、作者对原始pab (H,T)数据求导,从而分离出正交MR,并揭示隐藏的H/T尺度。在所有样品和所研究的所有温度下观察到的数据崩溃,表明杯状物在奇异金属区的延伸区域表现出异常的尺度不变MR。
3、本工作发现尽管在Tl2201和Bi2201中β (=β/αkB )的相对大小存在显著差异,但这两个家族在β中都不存在显著的p依赖性。
4、β中缺乏掺杂依赖关系,意味着不存在量子临界‘扇’。具体来说,没有迹象表明,在接近p*时,H-线性行为只会延伸到低磁场(在给定温度下)。
5、此外,γ ≈ α表明正交MR与T线性电阻率具有相同的原点,这意味着基于实空间非均匀性的模型在本研究众不适用。观察到的Tl2201和Bi2201的MR反应非常相似,尽管它们具有非常不同水平的电子不均匀性。

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▲图3. 重掺杂铜酸盐中非相干输运的证据

要点:
1、作者证明了过掺杂铜酸盐中正交MR的大小远远大于标准玻尔兹曼理论所期望的,并且对杂质散射率1/τ0不敏感。
2、尽管p0 ( Bi2201 )≈ 10×p0 ( Tl2201 ),但在高H和低T下,两族横向MR的线性斜率的大小却非常相似。这表明与普朗克正交MR相关的基本时间尺度在很大程度上对弹性散射不敏感。
3、作者发现MR响应并非各向异性。两个体系的纵向MR与横向MR表现出相同的正交形式,大小相近。相比之下,Ba-122中的正交MR被发现是各向异性的,并与晶体学晶格相连而不是与电流方向相连。这些发现可能更多地指向由塞曼物理驱动的MR反应,但是这需要进一步的实验验证。
4、从实验上看,这种普朗克正交MR是高度反常的,它似乎与ρ0无关,具有一个各向同性的MR,并且它本身没有本征霍尔响应。这些可能的非轨道起源的特征,再加上它与T-线性电阻率的密切关联,说明正交MR本身是非相干、非准粒子输运持续到低 T的结果。

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