“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
- 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*。
- 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。
- 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
▲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。
▲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。
▲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。
