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壓力下銅氧化物超導體的2D-3D超導態躍變研究獲進展
2020-1-2 11:38:18

  自1986年發現銅氧化物高溫超導體以來,人們從實驗和理論方面對其開展了廣泛的研究,取得了許多重大研究成果,但仍未實現對高溫超導電性全面、統一的理解,高溫超導機理的破解仍被列為二十一世紀凝聚態物理研究的重大挑戰之一,人們期待著能在正確理論指導下發現具有更高超導轉變溫度且更適于應用的超導體?昭〒诫s的銅氧化物超導體具有最高的超導轉變溫度,是高溫超導研究中最受關注的材料,關鍵是要理解超導態是如何從正常態中產生的。這些正常態包括贗能隙、反常費米液體相和奇異金屬相等。其中,對奇異金屬相的研究占有特殊的重要地位,這不僅是由于其對應著具有最高超導轉變溫度的超導基態和產生費米面重構的臨界摻雜量子相變點,而且還連接著贗能隙和反常費米液體態。
  這類超導體產生超導電性的基本單元是CuO2面,其常態性能具有明顯的二維特點。由于二維超導電性的動力學不穩定性導致其研究難度更大,因而已有報道的關于由二維到三維超導態躍變的實驗研究極少,這些報道主要是利用具有足夠時間分辨能力的實驗手段(如THz紅外光譜)來進行的。最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室副研究員郭靜、博士周亞洲、博士生黃程、研究員孫力玲等與所內及所外的其他研究人員合作,利用高壓下電阻和磁化率測量等綜合實驗方法對具有強二維特性的最佳摻雜Bi-2212高溫超導體進行了系統的研究。
  他們首次采用了CuO2“面內-面間”的高壓原位電阻同步測量技術和“電阻-磁化率”一體化高壓原位測量技術。這些測量在技術上具有很強的挑戰性,在該研究中的成功應用,標志著物理研究所的這類高壓超導研究實驗測量技術已達到國際最好水平。他們在最佳摻雜的高溫超導體奇異金屬態中首次觀測到了壓力誘導的2D-3D超導態躍變的電阻與磁化率特征。分析表明該2D超導轉變表現出類似BKT轉變的行為。這些結果證明該類超導體中的奇異金屬態是由2D特性主導的。這一發現不僅為進一步開展對高溫超體的深入研究,為理解超導電性的穩定性與奇異量子態以及贗能隙、反常金屬態、摻雜量子相變等的關系提供了重要線索,而且為高溫超導機理的突破提供了新的實驗依據。該研究結果在《自然-物理》(Nature Physics)上在線發表。
  研究樣品是由美國布魯克海文國家實驗室顧根大研究組提供的高質量單晶,他們的樣品多年來已被國內外許多研究組利用不同的實驗方法進行過研究。該研究的高壓同步輻射X射線結構分析是在上海光源15U線站上完成的,實驗結果證實了該研究測得的電阻-溫度曲線上的兩個電阻突降源于相同晶體結構中二維超導態到三維超導態之間的轉變。
  該項研究得到科技部(2017YFA0302900,2016YFA0300300,2017YFA0303103)、基金委(11427805, U1532267,11604376)、中科院B類先導專項(XDB25000000)和松山湖材料實驗室的支持。

  論文鏈接

  銅氧化物高溫超導體奇異金屬態中壓力導致的2D-3D超導態躍變溫度-壓力相圖。(右下)平行-垂直CuO2面電阻原位聯合測量和平行CuO2面電阻-磁化率一體化原位測量。

  來源:物理研究所


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