Brug af scanning SQUID mikroskopi til at undersøge lokal magnetisk respons af Bi2212

Faseovergange i forskellige tilstande af stof, såsom kondensation af gasser til væsker eller overgangen fra et normalt metal til en superledende tilstand, kan beskrives ved hjælp af Ginzburg-Landau symmetri-brydende teori. En sådan teori er dog ikke længere gyldig for faseovergange i den todimensionelle grænse.

Todimensionelle faseovergange er drevet af topologiske defekter kendt som Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) faseovergange (Kosterlitz og Thouless blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2016 for denne opdagelse). Topologiske defekter i superledende systemer kaldes hvirvler. For et uendeligt stort todimensionelt superledende system ved lav temperatur bindes hvirvel-antivortex-par med modsat hvirvelkraft sammen, og systemet er i en stabil superledende tilstand.

Efterhånden som temperaturen stiger, bliver hvirvel-antivortex-parrene ustabile på grund af termiske udsving, og tiltrækningen mellem hvirvel og antivortex i parrene svækkes gradvist, indtil de adskilles i frie hvirvler og antivortex. Denne proces fører til BKT-faseovergangen.

Den rygende pistol signatur af denne overgang er et spring i superfluid-densiteten ved overgangstemperaturen. Imidlertid er den karakteristiske størrelse af hvirvler i den todimensionelle grænse betydeligt større end den i det tredimensionelle rum. Når prøvestørrelsen nærmer sig den karakteristiske størrelse af hvirvlerne (eller når prøven har inhomogeniteter), vil den udtvære springet i superfluid-densiteten. Dette gør det meget udfordrende at bestemme BKT-faseovergangen i todimensionelle superledere i realistiske prøver.

Cuprate højtemperatur superledere, såsom Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+δ (Bi2212), med en lagdelt struktur, er blevet grundigt undersøgt som ukonventionelle superledere. Forbindelsen mellem ladningskorrelationer og superledningsevne i disse materialer forbliver et stort puslespil i det kondenserede stofs fysik. Monolayer Bi2212 blev fremstillet med succes for nylig. Men konventionelle måleteknikker har ikke detekteret nogen tegn på BKT-faseovergangen af ​​denne todimensionelle superleder.

I stedet udviser monolaget egenskaber meget lig dem i bulkmaterialerne, herunder overgangstemperatur, pseudogap, ladningstæthedsbølge og så videre. Dette mystificerer yderligere forholdet mellem superledende faseovergange og ladningskorrelation i dette system.

Derfor er søgningen efter bevis for BKT-faseovergangen i monolag Bi2212 og afklaring af forskellene og forbindelserne mellem superledende faseovergange på tværs af dimensionalitet vigtige for at forstå dette materiale.

Fudan University's Institut for Fysik brugte i samarbejde med forskerholdene ledet af professorerne Yihua Wang, Yuanbo Zhang og Yang Qi scanning SQUID mikroskopi til at undersøge den lokale magnetiske respons af Bi2212 fra monolag til tykke lag gennem den superledende faseovergang. I monolag vises en positiv paramagnetisk top i magnetiseringen inden for temperaturområdet under den kritiske temperatur, og toppositionen svinger med den magnetiske flux, der passerer gennem prøven i enheder af fluxkvantemet.

Dette fænomen, kendt som den paramagnetiske Meissner-effekt, forekommer i den superledende tilstand, der udviser Meissner-effekten. Desuden fandt de ud af, at bredden af ​​den paramagnetiske top stiger med temperaturen og fortsætter indtil overgangstemperaturen. Disse egenskaber indikerer stabil fasekohærens i det kritiske område og en gradvist stigende plasmascreeningseffekt på grund af adskillelsen af ​​vortex-antivortex-par, i overensstemmelse med Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) faseovergangen induceret af hvirvelexcitationer.

Forekomsten af ​​paramagnetiske følsomhedstoppe i flerlags og tykt lag Bi2212 antyder, at den superledende overgang af underdopet Bi2212 er en generaliseret BKT overgang med mellemlagskobling. Dette resultat identificerer ikke kun et vigtigt magnetisk træk ved BKT-overgangen i endelige systemer, men tydeliggør også det homologe forhold mellem de superledende overgange af monolag og bulk Bi2212, hvilket giver spor til at forstå pseudogapet i den underdopede region af cuprat-superledere.

Dette arbejde er offentliggjort i National Science Review under titlen "Oscillerende paramagnetisk Meissner-effekt og Berezinskii-Kosterlitz-Thouless overgang i underdopet Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+δ ".