Fasövergångar i olika tillstånd av materia, såsom kondensation av gaser till vätskor eller övergången från en normal metall till ett supraledande tillstånd, kan beskrivas med hjälp av Ginzburg-Landaus symmetribrytande teori. En sådan teori är dock inte längre giltig för fasövergångar i den tvådimensionella gränsen.
Tvådimensionella fasövergångar drivs av topologiska defekter kända som Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) fasövergångar (Kosterlitz och Thouless tilldelades Nobelpriset i fysik 2016 för denna upptäckt). Topologiska defekter i supraledande system kallas virvlar. För ett oändligt stort tvådimensionellt supraledande system vid låg temperatur binds vortex-antivirvelpar med motsatt virvel samman och systemet är i ett stabilt supraledande tillstånd.
När temperaturen ökar blir virvel-antivirvelparen instabila på grund av termiska fluktuationer, och attraktionen mellan virvel och antivirvel inom paren försvagas gradvis tills de separeras i fria virvlar och antivirvel. Denna process leder till BKT-fasövergången.
Den rökande pistolsignaturen för denna övergång är ett hopp i superfluiddensiteten vid övergångstemperaturen. Den karakteristiska storleken på virvlar i den tvådimensionella gränsen är dock betydligt större än den i det tredimensionella rummet. När provstorleken närmar sig virvlarnas karakteristiska storlek (eller när provet har inhomogeniteter), kommer det att smeta ut hoppet i superfluiddensiteten. Detta gör det mycket utmanande att bestämma BKT-fasövergången i tvådimensionella supraledare i realistiska prover.
Cuprate högtemperatursupraledare, såsom Bi2 Sr2 CaCu2 O8+δ (Bi2212), med en skiktad struktur, har studerats omfattande som okonventionella supraledare. Kopplingen mellan laddningskorrelationer och supraledning i dessa material förblir ett stort pussel i den kondenserade materiens fysik. Monolayer Bi2212 tillverkades nyligen framgångsrikt. Men konventionella mättekniker har inte upptäckt några tecken på BKT-fasövergången hos denna tvådimensionella supraledare.
Istället uppvisar monoskiktet egenskaper som mycket liknar de i bulkmaterialen, inklusive övergångstemperatur, pseudogap, laddningstäthetsvåg, och så vidare. Detta mystifierar ytterligare förhållandet mellan supraledande fasövergångar och laddningskorrelation i detta system.
Därför är sökandet efter bevis för BKT-fasövergången i monolager Bi2212 och förtydligande av skillnaderna och sambanden mellan supraledande fasövergångar över dimensionalitet viktiga för att förstå detta material.
Fudan Universitys institution för fysik, i samarbete med forskarteamen ledda av professorerna Yihua Wang, Yuanbo Zhang och Yang Qi, använde scanning SQUID-mikroskopi för att undersöka det lokala magnetiska svaret hos Bi2212 från monolager till tjocka lager genom den supraledande fasövergången. I monolager uppträder en positiv paramagnetisk topp i magnetiseringen inom temperaturområdet under den kritiska temperaturen, och toppläget svänger med det magnetiska flödet som passerar genom provet i enheter av flödeskvantum.
Detta fenomen, känt som den paramagnetiska Meissner-effekten, inträffar i det supraledande tillståndet som uppvisar Meissner-effekten. Dessutom fann de att bredden på den paramagnetiska toppen ökar med temperaturen och kvarstår tills övergångstemperaturen. Dessa egenskaper indikerar stabil faskoherens i det kritiska området och en gradvis ökande plasmascreeningseffekt på grund av separationen av vortex-antivirvelpar, i överensstämmelse med Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) fasövergången inducerad av virvelexcitationer.
Uppkomsten av paramagnetiska känslighetstoppar i flerskikts- och tjockskikts-Bi2212 antyder att den supraledande övergången av underdopad Bi2212 är en generaliserad BKT-övergång med mellanskiktskoppling. Detta resultat identifierar inte bara en viktig magnetisk egenskap hos BKT-övergången i finita system utan klargör också det homologa förhållandet mellan de supraledande övergångarna av monolager och bulk Bi2212, vilket ger ledtrådar för att förstå pseudogapen i den underdopade regionen av kupratsupraledare.
Detta arbete är publicerat i National Science Review under titeln "Oscillerande paramagnetisk Meissner-effekt och Berezinskii-Kosterlitz-Thouless övergång i underdopad Bi2 Sr2 CaCu2 O8+δ ".
