Dynamiske ladningstæthedsudsving gennemtrænger fasediagrammet for en Cu-baseret high-Tc superleder

Arkmodstande af NBCO- og YBCO -filmene som funktion af temperaturen. Arkmodstanden RΩ er afbildet som en funktion af temperaturen for (A) prøve UD60b (tykkelse:100 nm; afsat under de samme betingelser som prøve UD60); (B) prøve UD81 (tykkelse:50 nm); (C) prøve OP90 (tykkelse:100 nm); (D) prøve OD83 (tykkelse:50 nm). Filmens kritiske temperatur Tc er ekstraheret fra maksimumet for det første derivat af R (T) -karakteristikken (indsat i de fire paneler). Pseudogap -temperaturen T* udledes i stedet af afvigelsen fra den lineære R (T) adfærd ved høj temperatur, som er en underskrift af cuprates's mærkelige metalfase (stiplet linje i de fire paneler). For prøven OD83, temperaturen T* er ikke defineret. Ja, prøven er let overdoseret, som fremhævet ved krumningen af R (T) -karakteristikken ved lavere temperatur, hvilket er modsat med hensyn til det, der kendetegner de underdopede film. I dette dopinginterval, den temperatur, der kan udledes af afvigelsen fra den lineære R (T) adfærd ved høje temperaturer er den såkaldte kohærensstemperatur Tcoh. Tcoh repræsenterer en crossover -temperatur fra en kohærent til en usammenhængende metaltilstand, observeret ved hjælp af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aav1315

Svingninger i ladningstætheden observeres i alle familier med højkritiske temperatur (Tc) superledende kopper. Selvom det konstant findes i det underdopede område af fasediagrammet ved relativt lave temperaturer, fysikere er uklare, hvordan substraterne påvirker disse systemers usædvanlige egenskaber. I en ny undersøgelse nu offentliggjort den Videnskab , R. Arpaia og kolleger i afdelingerne for mikroteknologi og nanovidenskab, den europæiske synkrotron, og kvanteudstyrsfysik i Italien, Sverige og Frankrig brugte resonant røntgenspredning til omhyggeligt at bestemme ladningstæthedsmodulationerne i Yttrium Barium Kobberoxid (YBa ₂ Cu ₃ O _{7– ẟ} ) og Neodym Barium Kobberoxid (Nd _1+x Ba _{2 – x} Cu ₃ O _{7 – ẟ} ) for flere dopingniveauer. Forskergruppen isolerede dynamiske ladningstæthedsfluktuationer af kort rækkevidde ud over de tidligere kendte kvasi-kritiske ladningstæthedsbølger (CDW). Resultaterne vedblev langt over pseudo-gap-temperaturen T*, som de kendetegnede ved et par milli-elektron-volt (meV) for at sprede sig over et stort område af fasediagrammet.

Cuprate høj temperatur superledere (HTS) er forskellige fra Landau Fermi flydende paradigme på grund af kvasi-to dimensionalitet (2-D) af deres lagdelte struktur og store elektron-elektron frastødning. Under optimal doping og pseudo -gap -tilstand (tilstande, hvor mindre end optimale nuværende bærerkoncentrationer resulterer i uregelmæssige elektroniske egenskaber), korte til mellemdistance ladningstæthed bølgeordre kan dukke op for svagt at konkurrere med superledning. Fysikere udviklede først teoretiske forslag til CDW og svingninger i lavenergiladning efter først at have opdaget HTS. Efterfølgende, de udviklede eksperimentelle beviser i selektive materialer og i alle cuprate -familier. Forskere havde observeret langtrækkende tredimensionel CDW (3-D CDW) rækkefølge inde i superledningskapaciteten inden for høje magnetfelter, der svækker superledning eller ved epitaksialt voksende (aflejring af et krystallinsk lag på et krystallinsk substrat) prøver. Fysikere diskuterer i øjeblikket relevansen af sådanne ladningstæthedsudsving (CDF'er) for den ukonventionelle normale tilstand og om den superledende tilstand af HTS.

Kvasi-elastisk scanning langs (H, 0) retning for flere YBa2Cu3O7 – d og Nd1+xBa2 – xCu3O7 – d film med forskellige iltdopninger. Den kvasi-elastiske intensitet blev bestemt ved at integrere Cu L3 RIXS-spektrene målt ved forskellige q || værdier i energiintervallet [–0,2 eV, +0,15 eV]. Målingerne blev udført ved forskellige temperaturer på følgende prøver:(A) Optimalt dopet NBCO, p, 0,17. (B) Underdopet YBCO, p, 0,14. (C) Underdopet NBCO, p, 0,11. (D) Isolerende NBCO, p <0,05. Indsatsen i (C) viser topintensiteten Ipeak versus T – 1 for prøver OP90 (cirkler) og UD60 (firkanter). Ekstrapolationen til T → ∞ giver et skøn over signalets indre baggrund (bgr). Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aav1315

At fastslå i hvilket omfang fluktuerende og statiske ladningstæthedsmodulationer bidrog til fasediagrammet i dette arbejde; Arpaia et al. målte variablerne i YBa ₂ Cu ₃ O _{7– ẟ} (YBCO) og Nd _1+x Ba _{2 – x} Cu ₃ O _{7 – ẟ} (NBCO) som en funktion af doping og temperatur. De opdagede tilstedeværelsen af CDF'er (ladningstæthedsudsving) på tværs af en bred region i fasediagrammet for at styrke vigtigheden af ladningstæthedskontrol, som afgjorde egenskaber ved normal tilstand for cuprates. De nye fund var i overensstemmelse med tidligere observerede kort- til mellemdistanceordrer i høje magnetfelter.

Under eksperimenterne Arpaia et al. målt resonant uelastisk røntgenspredning (RIXS) på fem YBCO- og NBCO-film (som omfattede NBCO:OP90, UD60 og YBCO UD81), der spænder over en række iltdopingsfaser. Forskerne overførte filmen fra den antiferromagnetiske region (AF) til den udopede (UD) og optimalt dopede (OP) region, op til den lidt overdopede region. Forskerne observerede kvasi-elastisk (næsten nul energitab) af RIXS-spektrene ved forskellige temperaturer for nogle prøver. I modsætning, den antiferromagnetiske prøve (NBCO AF) viste ikke toppe over den lineære baggrund. Forskerne opsummerede resultaterne af fittings til flere prøver og observerede specifikt to toppe ved lave temperaturer; en bred top (BP) og en smal top (NP). De observerede BP for at dele en lignende position med NP, men med en meget anderledes og næsten konstant temperaturafhængighed. Som resultat, Arpaia et al. tilskrev den brede top til meget korte afgiftsmodulationer såsom ladningstæthedssvingninger af interesse.

To forskellige toppe passer til NBCO UD60 -data. (A) kvasielastisk scanning målt langs (H, 0) på prøve UD60 ved T =250 K (røde cirkler). (B) Efter at trække den lineære baggrund fra, givet ved den kvasi-elastiske scanning målt langs Brillouin-zonen diagonal [åbne firkanter i (A)], en klar top er stadig til stede, som kan monteres med en Lorentzian profil (stiplet linje). (C) Samme som (A), men ved T =60 K (violette cirkler). (D) Efter at have trukket den lineære baggrund [åbne firkanter i (C)], dataene kan udstyres med en sum af to Lorentzian -profiler (hel linje):en bredere (stiplet linje), ligner den målt ved 250 K, og den anden smallere og mere intens (stiplet linje). (E) 3D-skitsen viser de kvasi-elastiske scanninger målt langs H (terninger) og langs K (kugler) ved T =60 K på prøve UD60, sammen med de Lorentzian -profiler, der plejede at passe dem. En smal top (NP, blå overflade) dukker op ved qNP c =(0,325, 0) fra en meget bredere top (BP, rød overflade) centreret ved qBP c =(0,295, 0). Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aav1315

Holdet undersøgte yderligere energien forbundet med den brede top for at forstå fænomenets dobbelte karakter og dets virkning på CDF'er ved hjælp af højopløsningsinstrumenter. De målte RIXS -spektrene på specifikke prøver ved udvalgte temperaturer og ved bølgevektoren for det brede topmaksimum. Ved alle temperaturer, de bemærkede, at hovedtoppen var lidt bredere end instrumentets opløsning (40 meV) med en stærkere uelastisk komponent ved højere temperatur. De krediterede denne kvasi-elastiske top til fononer (atomvibrationer) på grund af elastisk diffus spredning fra prøveoverfladens ufuldkommenheder og på grund af ladningssvingninger. De observerede, at fænomenet enten var temperaturuafhængigt eller faldt ved afkøling.

Holdet brugte derefter oplysningerne til bedre at udtrække bidragstætheden. Efter yderligere teoretiske fortolkninger af de eksperimentelle resultater, Arpaia et al. viste den brede top, der skyldes dynamiske CDF'er med ren 2-D karakter i forhold til det enkelte kobberoxid (CuO ₂ ) fly-karakteriseret ved ikke-kritisk adfærd. De bekræftede også den brede tops ultrakorte rækkevidde. I modsætning, de tilskrev den snævre top til kvasi-kritiske CDW'er, som kun optrådte under begyndelsestemperaturen (T _QC ). Sådanne kvasi-kritiske CDW'er konkurrerede derefter med supraledelse af kopaterne.

Karakteristika for de to ladningstæthedsmodulationstoppe. Graferne viser temperaturafhængigheden af parametrene for de to Lorentzian-profiler, der bruges til at beskrive de kvasi-elastiske toppe af prøver UD60 og OP90 (firkanter refererer til den smalle top, cirkler til den brede top). (A og B) Intensitet. (C og D) FWHM. TQC er 175 K for prøve UD60 og 155 K for prøve OP90. T3D er 33 K for prøve UD60 og 24 K for prøve OP90. (E og F) Volumen af ladningstæthedsmodulationerne. Det samlede volumen (trekanter), givet ved summen af mængderne af de to toppe, domineres af den brede top. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aav1315

Efter at have indsamlet de eksperimentelle data, teamet visualiserede scenariet for en kontinuerlig crossover fra rene dynamiske CDF'er (ladningstæthedsudsving) ved høje temperaturer og alle dopinger til en kvasi-kritisk CDW (ladningstæthedsbølge) under T _QC . De visualiserede derefter et statisk 3D-CDW, som typisk er forhindret i tilstedeværelsen af superledningsevne i kopratmaterialerne. Arbejdet viste, at de hidtil tilsidesatte dynamiske CDF'er i cuprates repræsenterede hovedparten af isbjerget i CDW -fænomenet. De dynamiske CDF'er gennemsyrede en stor del af fasediagrammet, hvor deres samlede spredningsintensitet dominerede på tværs af alle temperaturer. De eksperimentelle dynamiske CDF'er konkurrerede ikke med supraledelse - i overensstemmelse med det teoretiske forslag.

Statisk og dynamisk ladningsrækkefølge i fasediagrammet for HTS -kupraterne. (A) T-p fasediagrammet over cuprater er typisk markeret med det antiferromagnetiske, pseudo -hul, og superledende områder (henholdsvis kendetegnet ved begyndelsestemperaturerne TN, T*, og Tc). Vores resultater viser, at de fleste af disse regioner er gennemsyret af ladningstæthedsmoduleringer af en eller anden art. Den smalle top beskriver CDW'erne, manifesterer sig i en region (lyseblå) under TQC (kryds). Disse 2D CDW'er er kvasi-kritiske og er forstadier til de statiske 3D CDW'er (blå region). Selvom vi ikke direkte kan få adgang til denne kuppel uden et magnetfelt, temperaturerne T3D (kvadrater), som vi udleder ud fra T-afhængigheden af NP FWHM, stemte overens med dem, der tidligere var bestemt ved NMR og hårde røntgenspredningsforsøg. Den brede top beskriver korte afstands ladningstæthedsudsving (CDF'er), som dominerer fasediagrammet (rød region), sameksisterer både med de kvasi-kritiske 2D CDW'er og med superledning, og vedvarer selv over T*. I modsætning, CDF'er forsvinder i udopede/antiferromagnetiske prøver (hvid region), der henviser til, at deres forekomst mellem p ~ 0,05 og p ~ 0,08 endnu ikke er bestemt. For at evaluere de karakteristiske energier w0 forbundet med BP, vi målte højopløselige RIXS-spektre ved forskellige temperaturer på prøverne OP90 og UD60. (B) Kvasi-elastisk komponent i spektrene (efter subtraktion af fononbidraget) ved T =90, 150, og 250 K, målt på prøve OP90 ved q || =(0,31, 0). (C og D) De eksperimentelle 150 K – 250 K og 90 K – 150 K forskelspektre, præsenteret i (B), er vist (kugler), sammen med den teoretiske beregning (faste områder). Dataene stemmer overens med teorien, forudsat w0 ≈ 15 meV ved 150 og 250 K og w0 ≈ 7 meV ved 90 K [stiplede linjer i (C) og (D)]. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aav1315

Ud over, den svage kobling af CuO ₂ fly i materialerne resulterede i, at CDW-ordrer viste et markant 2-D-tegn. På grund af stærke kvante termiske dynamiske udsving krævede sådanne cuprater kun en virkelig statisk karakter under en temperatur, ved hvilken en statisk 3-D CDW-ordre dannedes (T _3-D ) _. For at undertrykke superledningen af YBCO- og NBCO-kupraterne og opnå statiske 3D-CDW'er krævede forskerne derfor stærke magnetfelter eller epitaksialt dyrkede prøver. Forskergruppen sigter mod at teste andre cuprate -familier og udvide dopingregionerne for at bekræfte den generelle anvendelighed af det dynamiske CDF -scenario observeret i det foreliggende arbejde.

På denne måde, Arpaia et al. præsenterede de mest spændende fund af arbejdet for at være den rigelige tilstedeværelse af en bred top forårsaget af dynamiske CDF'er, med små energier på et par meV, der strækker sig over et bredt momentumområde. Den lavenergispredende mekanisme for kvasipartikler, der blev observeret i undersøgelsen, gjorde kuperne til en tiltalende kandidat til at producere Fermi -væskefænomenet. De træk, der blev eksperimentelt demonstreret i det foreliggende arbejde, havde hidtil defineret de mest fremtrædende særegenheder ved cuprate høj temperatur superledere.

Sidste artikelJILAs nye atomur -design tilbyder pincetstyring

Næste artikelForskere producerer syntetisk Hall Effect for at opnå envejs radiotransmission