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張定/薛其坤團隊在銅氧化物高溫超導中發現新奇磁阻振蕩(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2022-03-18

高溫超導的機理一直是凝聚態物理領域懸而未決的重要問題。在銅氧化物體系中，高溫超導是通過對莫特絕緣體摻雜而逐漸演化出來的。因此，探究超導剛出現的臨界點附近—輕摻雜區間—的行為有望為理解高溫超導機理帶來重要線索。最近，物理系張定/薛其坤研究團隊利用多年發展起來的制備和調控技術，成功實現了銅氧化物在輕摻雜區間的系統性磁輸運測量。有意思的是，他們觀測到了一種新奇的磁阻振蕩，類似于周期性超導網格中的利特爾-帕克斯(Little-Parks)振蕩。該研究成果以“輕摻雜銅氧化物超導中的類利特爾-帕克斯振蕩”(Little-Parks like oscillations in lightly doped cuprate superconductors)為題在線發表在2022年3月14日的《自然·通訊》(Nature Communications)上。

圖1a,樣品器件圖。b,樣品在不同摻雜情況下電阻隨溫度變化曲線。c,在輕摻雜區間觀測到的磁阻振蕩現象。d,扣除背底后的磁阻振蕩。e,磁阻數據傅里葉變換后的結果。f,樣品相對磁場旋轉不同角度后的磁阻振蕩。

 

由于銅氧化物材料的復雜性，傳統的單晶生長手段很難保證極欠摻雜區間的樣品質量。為此，張定/薛其坤研究團隊發展了離子固體調控技術。2018年，團隊成功實現了薄層鉍鍶鈣銅氧(Bi2Sr2CaCu2O8+x)從最優摻雜到輕摻雜區間的連續調控[M. Liao et al. Nano Lett. 18, 5660 (2018)]。在此基礎上，實驗骨干廖孟涵（文章第一作者、物理系2020屆博士畢業生）開展了系統性的磁輸運測量。他發現磁阻在超導轉變附近出現了有規律的振蕩。該振蕩只在摻雜濃度調節到小于0.1時才出現。通過對多個樣品進行細致測量，研究團隊排除了正常態的量子振蕩、介觀效應誘發的振蕩以及磁通晶格形變導致的振蕩，認為這種新型振蕩與周期性超導網格中的利特爾-帕克斯振蕩非常類似。通過磁場振蕩周期，研究團隊推算出對應的空間周期為50納米左右。然而，研究中使用的銅氧化物超導并不具有人為加工的周期性結構，這說明其是自發形成的。通過考慮磁通在這一周期性結構上的作用，研究團隊還成功定量解釋了實驗觀測到的振蕩幅值的變化，并得到了符合預期的倫敦穿透深度等物理參數。該工作中得到的周期結構遠遠大于此前在銅氧化物超導中普遍觀測到的電荷密度波的尺度。因此，輕摻雜區的銅氧化物可能具有不同的電荷密度波的競爭，從而形成了更大尺度的周期性結構。該工作表明，雖然距離銅氧化物高溫超導的發現已經過去了三十六年，但圍繞該量子材料的探索仍然能夠帶來意外的新奇發現。

圖2高溫超導典型的相圖中磁阻振蕩出現的區間。圖中圓圈表示該摻雜濃度和磁場下進行了磁阻測量。填充的圓點表示觀測到了磁阻振蕩。

 

文章的合作者還包括清華物理系博士生胡塾緒，北京量子信息科學研究院助理研究員朱玉瑩、美國布魯克海文國家實驗室Ruidan Zhong、John Schneeloch和Genda Gu。該工作得到了國家自然科學基金委員會、國家科技部、和北京未來芯片技術高精尖創新中心等的支持。

 

文章鏈接：doi.org/10.1038/s41467-022-28954-w

 

來源：清華大學物理系