張定/薛其坤團(tuán)隊(duì)在銅氧化物高溫超導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)新奇磁阻振蕩(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2022-03-18

高溫超導(dǎo)的機(jī)理一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域懸而未決的重要問題。在銅氧化物體系中，高溫超導(dǎo)是通過對(duì)莫特絕緣體摻雜而逐漸演化出來的。因此，探究超導(dǎo)剛出現(xiàn)的臨界點(diǎn)附近—輕摻雜區(qū)間—的行為有望為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理帶來重要線索。最近，物理系張定/薛其坤研究團(tuán)隊(duì)利用多年發(fā)展起來的制備和調(diào)控技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了銅氧化物在輕摻雜區(qū)間的系統(tǒng)性磁輸運(yùn)測(cè)量。有意思的是，他們觀測(cè)到了一種新奇的磁阻振蕩，類似于周期性超導(dǎo)網(wǎng)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(dǎo)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(fā)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(qū)間觀測(cè)到的磁阻振蕩現(xiàn)象。d,扣除背底后的磁阻振蕩。e,磁阻數(shù)據(jù)傅里葉變換后的結(jié)果。f,樣品相對(duì)磁場旋轉(zhuǎn)不同角度后的磁阻振蕩。

 

由于銅氧化物材料的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的單晶生長手段很難保證極欠摻雜區(qū)間的樣品質(zhì)量。為此，張定/薛其坤研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了離子固體調(diào)控技術(shù)。2018年，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了薄層鉍鍶鈣銅氧(Bi2Sr2CaCu2O8+x)從最優(yōu)摻雜到輕摻雜區(qū)間的連續(xù)調(diào)控[M. Liao et al. Nano Lett. 18, 5660 (2018)]。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)骨干廖孟涵（文章第一作者、物理系2020屆博士畢業(yè)生）開展了系統(tǒng)性的磁輸運(yùn)測(cè)量。他發(fā)現(xiàn)磁阻在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變附近出現(xiàn)了有規(guī)律的振蕩。該振蕩只在摻雜濃度調(diào)節(jié)到小于0.1時(shí)才出現(xiàn)。通過對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行細(xì)致測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)排除了正常態(tài)的量子振蕩、介觀效應(yīng)誘發(fā)的振蕩以及磁通晶格形變導(dǎo)致的振蕩，認(rèn)為這種新型振蕩與周期性超導(dǎo)網(wǎng)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(tuán)隊(duì)推算出對(duì)應(yīng)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(dǎo)并不具有人為加工的周期性結(jié)構(gòu)，這說明其是自發(fā)形成的。通過考慮磁通在這一周期性結(jié)構(gòu)上的作用，研究團(tuán)隊(duì)還成功定量解釋了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的振蕩幅值的變化，并得到了符合預(yù)期的倫敦穿透深度等物理參數(shù)。該工作中得到的周期結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此前在銅氧化物超導(dǎo)中普遍觀測(cè)到的電荷密度波的尺度。因此，輕摻雜區(qū)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(jié)構(gòu)。該工作表明，雖然距離銅氧化物高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)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(fā)現(xiàn)。

圖2高溫超導(dǎo)典型的相圖中磁阻振蕩出現(xiàn)的區(qū)間。圖中圓圈表示該摻雜濃度和磁場下進(jìn)行了磁阻測(cè)量。填充的圓點(diǎn)表示觀測(cè)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(xué)研究院助理研究員朱玉瑩、美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室Ruidan Zhong、John Schneeloch和Genda Gu。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國家科技部、和北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)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(xué)物理系