要了解高温超导性,科学家让它消失

使高温超导消失

布鲁克海文实验室的物理学家Genda Gu, Tonica Valla和Ilya Drozdov来自OASIS,这是一种新的现场实验机器,用于生长和表征氧化物薄膜,例如被称为铜的一类高温超导体(HTS)。与传统超导体相比,高温超导可以在更高的温度下无电阻地导电。为了了解这种现象的起源,该团队利用OASIS的独特能力使铜样品中的超导性消失,然后重新出现。资料来源:布鲁克海文国家实验室

科学家们已经收集了证据表明纯电子机制导致铜氧化合物在绝对零高于绝对零的温度下没有阻力的电阻。

当有几个过程同时发生时,建立因果关系是困难的。这种情况适用于一类高温超导体,称为铜。这些铜氧化合物在35年前被发现,在某些条件下可以无电阻导电。它们必须用额外的原子进行化学修饰(“掺杂”),在氧化铜层中引入电子或空穴(电子空位),并冷却到100开尔文(−280度)以下华氏温度) - 比传统超导体所需的温度升温温度。但是,电子克服了它们的相互排斥,并在这些材料中自由对流动仍然是冷凝物物理学中最大的问题之一。高温超导性(HTS)是由于电子之间存在强烈的相互作用而发生的许多现象,使得难以确定它来自哪里。

That’s why physicists at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Brookhaven National Laboratory studying a well-known cuprate containing layers made of bismuth oxide, strontium oxide, calcium, and copper oxide (BSCCO) decided to focus on the less complicated “overdoped” side, doping the material so much so that superconductivity eventually disappears. As they reported in a发布于2020年1月29日自然通信,这种方法使他们能够识别纯粹的电子相互作用可能导致HTS。

第一作者Tonica Valla解释说:“铜的超导性通常与电荷或自旋的周期性排列和许多其他现象共存,这些现象既可以与超导性竞争,也可以帮助超导性,使情况更加复杂。”布鲁克海文实验室凝聚态物理与材料科学部电子能谱组的物理学家。“但这些现象会随着过度掺杂而减弱或完全消失,只剩下超导性。因此,这是研究超导性起源的理想区域。我们的实验揭示了BSCCO中电子之间的相互作用,它与超导性一一相关。超导性恰好在这种相互作用第一次出现的时候出现,并随着相互作用的加强而增强"

最近只有可能过度超越超越超导消失的点的样品。以前,将材料的散装晶体在高压氧气中退火(加热)以增加氧气(掺杂剂材料)的浓度。新方法 - 瓦拉和其他布鲁克海汶科学家首次在OASIS上展示了一年一年以前,用于样品制备和表征的新现场仪器 - 使用臭氧而不是氧气来退火切割样品。切割是指在真空中破坏晶体,以产生完全平坦的表面和清洁的表面。

“臭氧的氧化能力或其接受电子的能力比分子氧的能力要强,”辅助Ilya Drozdov,分区的氧化物分子束外延(IMBE)组的物理学家。“这意味着我们可以将更多的氧气带入晶体中以在氧化铜平面中产生更多孔,其中发生超导性。在绿洲,我们可以将材料的表面层渗透到非蓄电区并研究所产生的电子激发。“

OASIS将一个用于生长氧化薄膜的OMBE系统与角度分辨光电发射光谱(ARPES)和光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)仪器相结合,以研究这些薄膜的电子结构。在这里,材料可以生长和研究使用相同的连接超高真空系统,以避免氧化和污染的二氧化碳,水和其他分子在大气中。由于ARPES和SI-STM是非常表面敏感的技术,原始表面是获得精确测量的关键。

在这项研究中,该部门中子散射组的物理学家、共同作者Genda Gu生长了块状BSCCO晶体。Drozdov在OASIS的OMBE室中对臭氧中的解理晶体进行退火,以增加掺杂,直到完全失去超导性。然后在真空中进行退火,以逐渐减少掺杂,提高产生超导的转变温度。Valla通过ARPES分析了BSCCO在掺杂温度相图上的电子结构。

“ARPES为您提供了任何材料的电子结构最直接的图片,”Valla说。“光激发来自样品的电子,并通过测量它们的能量和它们逃逸的角度,您可以在仍在晶体中重新创建电子的能量和动力。”

在测量这种能量-动量关系时,Valla检测到电子结构中的一个扭结(异常),它遵循超导转变温度。随着温度的升高和超导性的增强,扭结变得更加明显,并转移到更高的能量,但在超导体状态之外消失。基于这一信息,他知道产生超导所需的电子对的相互作用不可能像传统超导体理论中那样是电子-声子耦合。在这个理论下,声子,或者晶格中原子的振动,通过动量和能量的交换为排斥电子提供了吸引力。

“我们的结果使我们能够排除电子 - 声子耦合,因为晶格中的原子可以振动,而电子可以与这些振动相互作用,而不管材料是否超导,”Valla说。“如果涉及声子,我们希望在超导和正常状态下看到扭结,扭结不会随着兴奋剂而变化。”

在这种情况下,该团队认为类似于电子 - 声子耦合的东西,但是在电子之间交换了另一个激励而不是声子。看似电子通过旋转波动进行交互,这与电子本身有关。旋转波动是电子旋转的变化,或者电子点向上或向下作为微小磁体的方式。

此外,科学家发现,扭结的能量小于出现旋转波动谱中尖锐峰值(共振)的特征能量的能量。他们的发现表明了发病旋转波动(代替共振峰)负责观察到的扭结,并且可以是将电子结合到HT所需的对的“胶水”。

接下来,团队计划收集额外的证据,表明通过获得Si-STM测量,旋转波动与超导相关。它们还将对另一种众所周知的铜酸镧铜氧化物(LSCO)进行类似的实验。

“这是第一次看到与超导相关的东西,”瓦拉说。“毕竟这些年来,我们现在更好地掌握可能导致超导不仅在BSCCO中的超导,而且还有其他铜冠。”

参考:“由于覆盖BI中的消失耦合导致超导性的消失2

“>2SR.2

“>2CaCu2

“>2O.8+δ

“>8.+“由T.Valla,I. K. Drozdov和G. D.Gu,1月20日,自然通信
DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 14282 - 4

布鲁克海文国家实验室得到了美国能源部科学厅的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大基本研究支持者,正在努力解决我们时代最紧迫的挑战。

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