Arkmotstånd hos NBCO- och YBCO -filmerna som en funktion av temperaturen. Arkmotståndet RΩ ritas som en funktion av temperaturen för (A) prov UD60b (tjocklek:100 nm; deponeras under samma förhållanden som prov UD60); (B) prov UD81 (tjocklek:50 nm); (C) prov OP90 (tjocklek:100 nm); (D) prov OD83 (tjocklek:50 nm). Filmens kritiska temperatur Tc har extraherats från maxvärdet för det första derivatet av R (T) -karakteristiken (infälld i de fyra panelerna). Pseudogap -temperaturen T* härleds istället av avvikelsen från det linjära R (T) -beteendet vid hög temperatur, vilket är en signatur på den konstiga metallfasen hos kuprater (streckad linje i de fyra panelerna). För provet OD83, temperaturen T* är inte definierad. Verkligen, provet är något överdoserat, som markeras av krökningen hos R (T) -karakteristiken vid lägre temperatur, vilket är motsatt med avseende på det som kännetecknar de underdopade filmerna. I detta dopningsintervall, den temperatur som kan utläsas av avvikelsen från det linjära R (T) -beteendet vid hög temperatur är den så kallade koherens-temperaturen Tcoh. Tcoh representerar en korsningstemperatur från en koherent till ett inkoherent metalltillstånd, observeras med hjälp av vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1315
Laddningstäthet fluktuationer observeras i alla familjer med högkritisk temperatur (Tc) supraledande koppar. Även om den ständigt återfinns i den underdopade regionen i fasdiagrammet vid relativt låga temperaturer, fysiker är oklart hur substraten påverkar ovanliga egenskaper hos dessa system. I en ny studie nu publicerad på Vetenskap , R. Arpaia och medarbetare vid avdelningarna för mikroteknik och nanovetenskap, den europeiska synkrotronen, och kvantanordningens fysik i Italien, Sverige och Frankrike använde resonant röntgenspridning för att noggrant bestämma laddningstäthetsmoduleringarna i Yttrium Barium kopparoxid (YBa 2 Cu 3 O 7– ẟ ) och Neodymium Barium kopparoxid (Nd 1+x Ba 2 – x Cu 3 O 7 – ẟ ) för flera dopningsnivåer. Forskargruppen isolerade dynamiska laddningstäthetsfluktuationer (CDF) på kort avstånd utöver de tidigare kända kvasikritiska laddningstäthetsvågorna (CDW). Resultaten kvarstod långt över pseudo-gap-temperaturen T*, som de kännetecknades av några milli-elektronvolt (meV) för att sprida sig över ett stort område av fasdiagrammet.
Cuprate högtemperatur superledare (HTS) skiljer sig från Landau Fermi vätskeparadigm på grund av kvasi-två-dimensionalitet (2-D) av deras skiktade struktur och stora elektron-elektronavstötning. Under optimal dopning och pseudo -gap -tillstånd (tillstånd vid vilka mindre än optimala strömbärarkoncentrationer resulterar i avvikande elektroniska egenskaper), kort till medellång räckvidd för laddningstäthet kan dyka upp för att svagt konkurrera med supraledning. Fysiker utvecklade först teoretiska förslag om CDW och låga energiladdningsfluktuationer efter att ha upptäckt HTS. Senare, de utvecklade experimentella bevis i selektiva material och i alla cupratfamiljer. Forskare hade observerat långsiktiga tredimensionella CDW (3-D CDW) ordning inuti superledningskupolen inom höga magnetfält som försvagar supraledning eller i epitaxiellt odlade (avsättning av ett kristallint lager på ett kristallint substrat) prover. Fysiker debatterar för närvarande relevansen av sådana laddningstäthetsfluktuationer (CDF) för det okonventionella normala tillståndet och om det superledande tillståndet för HTS.
Kvasi-elastisk skanning längs (H, 0) riktning för flera YBa2Cu3O7 – d och Nd1+xBa2 – xCu3O7 – d filmer med olika syredoping. Den kvasi-elastiska intensiteten bestämdes genom att integrera Cu L3 RIXS-spektra uppmätta vid olika q || värden i energiintervallet [–0,2 eV, +0,15 eV]. Mätningarna utfördes vid olika temperaturer på följande prover:(A) Optimalt dopad NBCO, p, 0,17. (B) Underdoped YBCO, p ≈ 0,14. (C) Underdoped NBCO, p ≈ 0,11. (D) Isolerande NBCO, p <0,05. Insatsen i (C) visar toppintensiteten Ipeak kontra T – 1 för prover OP90 (cirklar) och UD60 (kvadrater). Extrapolationen till T → ∞ ger en uppskattning av signalens inneboende bakgrund (bgr). Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1315
Att fastställa i vilken utsträckning fluktuerande och statiska laddningstäthetsmoduleringar bidrog till fasdiagrammet i det aktuella arbetet; Arpaia et al. mätte variablerna i YBa 2 Cu 3 O 7– ẟ (YBCO) och Nd 1+x Ba 2 – x Cu 3 O 7 – ẟ (NBCO) som en funktion av dopning och temperatur. De upptäckte närvaron av CDF (laddningstäthetsfluktuationer) över ett brett område av fasdiagrammet för att stärka vikten av laddningstäthetskontroll, som bestämde egenskaperna för cuprates i normala tillstånd. De nya fynden överensstämde med tidigare observerade kort- till medeldistansorder i höga magnetfält.
Under experimenten, Arpaia et al. mätte resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS) på fem YBCO- och NBCO-filmer (som inkluderade NBCO:OP90, UD60 och YBCO UD81) som spänner över en rad syredopningsfaser. Forskarna överförde filmen från den antiferromagnetiska regionen (AF) till den odöpta (UD) och optimalt dopade (OP) regionen, upp till den lite överdopade regionen. Forskarna observerade kvasi-elastisk (nära noll energiförlust) av RIXS-spektra vid olika temperaturer för vissa prover. I kontrast, det antiferromagnetiska provet (NBCO AF) visade inte toppar ovanför den linjära bakgrunden. Forskarna summerade resultaten av beslag för flera prover och observerade specifikt två toppar vid låga temperaturer; en bred topp (BP) och en smal topp (NP). De observerade BP för att dela en liknande position med NP men med ett mycket annorlunda och nästan konstant temperaturberoende. Som ett resultat, Arpaia et al. tillskrev den breda toppen till mycket korta avgiftsmoduleringar såsom laddningstäthetens fluktuationer i intresse.
Två distinkta toppar passar till NBCO UD60 -data. (A) kvasielastisk skanning mätt längs (H, 0) på prov UD60 vid T =250 K (röda cirklar). (B) Efter att ha subtraherat den linjära bakgrunden, ges av den kvasi-elastiska skanningen uppmätt längs diagonal Brillouin-zonen [öppna rutor i (A)], en tydlig topp är fortfarande närvarande, som kan monteras med en Lorentzian profil (streckad linje). (C) Samma som (A), men vid T =60 K (violetta cirklar). (D) Efter att ha subtraherat den linjära bakgrunden [öppna rutor i (C)], data kan utrustas med en summa av två Lorentzian -profiler (hel linje):en bredare (streckad linje), liknande den mätt vid 250 K, och den andra smalare och mer intensiv (prickad linje). (E) 3D-skissen visar de kvasi-elastiska skanningarna uppmätta längs H (kuber) och längs K (sfärer) vid T =60 K på prov UD60, tillsammans med de Lorentzianska profilerna som används för att passa dem. En smal topp (NP, blå yta) framträder vid qNP c =(0,325, 0) från en mycket bredare topp (BP, röd yta) centrerad vid qBP c =(0,295, 0). Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1315
Teamet studerade vidare energin i samband med den breda toppen för att förstå fenomenets dubbla karaktär och dess effekt på CDF:er med hjälp av högupplösta instrument. De mätte RIXS -spektra på specifika prover vid utvalda temperaturer och vid vågvektorn för det breda toppmaximumet. Vid alla temperaturer, de noterade att huvudtoppen var något bredare än instrumentets upplösning (40 meV) med en starkare oelastisk komponent vid högre temperatur. De krediterade denna kvasi-elastiska topp till fononer (atomvibrationer) på grund av elastisk diffus spridning från provytans brister och på grund av laddningsfluktuationer. De observerade att fenomenet antingen var temperaturoberoende eller minskade vid kylning.
Teamet använde sedan informationen för att bättre extrahera laddningstätheten. Efter ytterligare teoretiska tolkningar av de experimentella resultaten, Arpaia et al. visade den breda toppen till följd av dynamiska CDF:er med ren 2-D-karaktär i förhållande till den enskilda kopparoxiden (CuO 2 ) plan-kännetecknas av icke-kritiskt beteende. De bekräftade också den breda toppens ultrakortsområde. I kontrast, de tillskrev den smala toppen till kvasikritiska CDW, som endast uppträdde under starttemperaturen (T QC ). Sådana kvasi-kritiska CDW:er konkurrerade sedan med supraledningsförmågan hos kupraterna.
Egenskaper för de två laddningstäthetsmodulationstopparna. Graferna visar temperaturberoendet för parametrarna för de två Lorentzian-profilerna som används för att beskriva de kvasi-elastiska topparna i proverna UD60 och OP90 (kvadrater hänvisar till den smala toppen, cirklar till den breda toppen). (A och B) Intensitet. (C och D) FWHM. TQC är 175 K för prov UD60 och 155 K för prov OP90. T3D är 33 K för prov UD60 och 24 K för prov OP90. (E och F) Volym av laddningstäthet moduleringar. Den totala volymen (trianglar), givet av summan av volymerna för de två topparna, domineras av den breda toppen. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1315
Efter att ha samlat in experimentdata, teamet visualiserade scenariot för en kontinuerlig delning från rena dynamiska CDF (laddningstäthet fluktuationer) vid hög temperatur och alla dopningar till en kvasikritisk CDW (laddningsdensitetsvåg) under T QC . De visualiserade sedan en statisk 3D-CDW, som vanligtvis hindras i närvaro av supraledningsförmåga i kupratmaterialen. Arbetet visade att de hittills borträknade dynamiska CDF:erna i kuvert representerade huvuddelen av isberget i CDW -fenomenet. De dynamiska CDF:erna genomträngde en stor del av fasdiagrammet, där deras totala spridningsintensitet dominerade över alla temperaturer. De experimentella dynamiska CDF:erna konkurrerade inte med supraledning - förenligt med det teoretiska förslaget.
Statisk och dynamisk laddningsordning i fasdiagrammet för HTS -kupraterna. (A) T-p-fasdiagrammet för kuprater är vanligtvis markerat med det antiferromagnetiska, pseudo -gap, och supraledande regioner (kännetecknas av starttemperaturerna TN, T*, och Tc). Våra resultat visar att de flesta av dessa regioner genomsyras av laddningsdensitetsmoduleringar av något slag. Den smala toppen beskriver CDW:erna, manifesterar sig i en region (ljusblå) under TQC (kors). Dessa 2D CDW är kvasikritiska och är föregångare till de statiska 3D CDW:erna (blå region). Även om vi inte direkt kan komma åt denna kupol utan ett magnetfält, temperaturerna T3D (kvadrater) som vi utgår från T-beroendet av NP FWHM överensstämde med de som tidigare bestämts genom NMR och hårda röntgenspridningsexperiment. Den breda toppen beskriver korta avstånds laddningsdensitetsfluktuationer (CDF), som dominerar fasdiagrammet (rött område), samexisterar både med de kvasikritiska 2D-CDW:erna och med supraledning, och kvarstår även över T*. I kontrast, CDF försvinner i odopade/antiferromagnetiska prover (vit region), medan deras förekomst mellan p ~ 0,05 och p ~ 0,08 ännu inte har bestämts. För att utvärdera de karakteristiska energierna w0 associerade med BP, vi mätte högupplösta RIXS-spektra vid olika temperaturer på proverna OP90 och UD60. (B) Kvasilastisk komponent i spektra (efter subtraktion av fononbidraget) vid T =90, 150, och 250 K, mätt på prov OP90 vid q || =(0,31, 0). (C och D) De experimentella 150 K – 250 K och 90 K – 150 K skillnadsspektra, presenteras i (B), visas (sfärer), tillsammans med den teoretiska beräkningen (fasta områden). Uppgifterna stämde överens med teorin, förutsatt att w0 ≈ 15 meV vid 150 och 250 K och w0 ≈ 7 meV vid 90 K [streckade linjer i (C) och (D)]. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aav1315
Dessutom, den svaga kopplingen av CuO 2 plan i materialet resulterade i att CDW-beställningar uppvisade ett markerat 2-D-tecken. På grund av starka kvant termiska dynamiska fluktuationer krävde sådana kuprater bara en verkligt statisk karaktär under en temperatur vid vilken en statisk 3-D CDW-ordning bildades (T 3-D ) . För att undertrycka supraledningsförmågan hos YBCO- och NBCO-kupraterna och erhålla statiska 3D-CDW kräver forskarna därför starka magnetfält eller epitaxiellt odlade prover. Forskargruppen syftar till att testa andra cupratfamiljer och förlänga dopningsregionerna för att bekräfta den allmänna tillämpningen av det dynamiska CDF -scenariot som observerats i föreliggande arbete.
På det här sättet, Arpaia et al. presenterade de mest spännande fynden av arbetet som den rikliga närvaron av en bred topp som orsakas av dynamiska CDF, med små energier på några meV som sträcker sig över ett brett momentumområde. Lågenergispridningsmekanismen för kvasipartiklar som observerades i studien gjorde kuperna till en tilltalande kandidat för att producera Fermi -vätskefenomenet. De egenskaper som experimentellt demonstrerades i det föreliggande arbetet hade hittills definierat de mest framträdande särdragen hos cuprate högtemperatur -superledare.
© 2019 Science X Network
