让HTS消失 了解它的起源

导读当多个过程同时进行时,很难建立因果关系。这适用于一种叫做铜酸盐的高温超导体。这些铜氧化合物是近35年前发现的,在一定条件下可以无电阻

当多个过程同时进行时,很难建立因果关系。这适用于一种叫做铜酸盐的高温超导体。这些铜氧化合物是近35年前发现的,在一定条件下可以无电阻导电。它们必须经过化学改性(“掺杂”),用电子或空穴(电子空位)引入氧化铜层,并冷却到低于100开尔文(-280华氏度)的温度,这是一种比常规温度高得多的超导体。

然而,确切地说,如何克服它们的互斥,使电子在这些材料中自由流动,仍然是凝聚态物理中最大的难题之一。高温超导是由于电子之间的强相互作用而产生的众多现象之一,因此很难确定其来源。

这就是为什么美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家研究了一种著名的含氧化铋、氧化锶、钙和氧化铜的铜酸盐(BSCCO)。他们决定专注于更简单的“超掺杂”表面,并大量掺杂这种材料,以至于超导性最终消失。正如他们在1月29日发表于《自然通讯》的论文中所报道的,这种方法使他们能够确定纯电子相互作用可能导致高温超导。

物理学家托尼卡瓦拉(Tonica Valla)是海文实验室凝聚态物质电子光谱学组的第一作者,他解释说:“铜酸盐中的超导性通常与电荷或自旋的周期性排列共存,许多其他现象可能与超导性或辅助超导性竞争,这使得情况变得复杂。”物理与材料科学系。“但随着掺杂,这些现象减弱或完全消失,只留下超导性。因此,这是研究超导起源的理想领域。我们的实验发现了BSCCO中电子之间的相互作用,这与超导性是一一对应的。超导性在这种相互作用首次出现时就出现了,并随着相互作用的增加而变得更强。”

直到最近,在超导性消失之前有可能过度掺杂铜酸盐样品。以前,材料的块状晶体将在高压氧气中退火(加热)以增加氧气(掺杂材料)的浓度。一年前,Valla和Brookhaven的其他科学家在OASIS(一种用于样品制备和表征的新型现场仪器)首次展示了这种新方法,该方法使用臭氧代替氧气对破裂的样品进行退火。解理是指在真空中打碎晶体,以产生完全平坦和干净的表面。

该部门氧化物分子束外延(OMBE)小组的物理学家伊利亚德罗兹多夫解释说:“臭氧氧化或接受电子的能力比分子氧强得多。”“这意味着我们可以将更多的氧气带入晶体,从而在发生超导的氧化铜平面上形成更多的空穴。在OASIS中,我们可以将材料表层一直掺杂到非超导区域,并研究由此产生的电子激发。”

OASIS将生长氧化物薄膜的OMBE系统与角分辨光发射光谱(ARPES)和光谱成像-扫描隧道显微镜(SI-STM)相结合,研究这些薄膜的电子结构。在这里,同样连接的超高真空系统可以用来生长和研究材料,以避免被大气中的二氧化碳、水和其他分子氧化和污染。由于ARPES和SI-STM是对表面非常敏感的技术,原始表面对于获得精确测量非常重要。

为此,该系中子散射团队的物理学家Genda Gu联合培育了BSCCO大块晶体。在OASIS的OMBE室中,德罗兹多夫对在臭氧中分裂的晶体进行退火,以增加掺杂,直到超导性完全丧失。然后将同一样品在真空中退火,以逐渐减少掺杂,并在超导发生时提高转变温度。Valla用ARPES分析了BSCCO在这个掺杂温度相图中的电子结构。

Valla说:“ARPES为您提供了任何材料的电子结构的最直接的图像。”“光激发样品中的电子,通过测量它们的能量和逃逸角,你可以在电子还在晶体中的时候再生它们的能量和动量。”

当测量能量和动量之间的关系时,瓦拉检测到超导转变温度之后的电子结构中的扭结(异常)。随着温度的升高,扭结变得更加明显,并转移到更高的能量,超导性变强,但在超导态之外消失。根据这些信息,他知道根据常规超导体的理论,产生超导性所需的电子对的相互作用不可能是电子-声子耦合。根据这一理论,晶格中声子或原子的振动在吸引力中起作用,否则吸引力会通过动量和能量的交换排斥电子。

Walla说:“我们的结果使我们能够消除电子-声子耦合,因为晶格中的原子可以振动,电子可以与这些振动相互作用,无论材料是否超导。”“如果涉及声子,我们预计扭结是超导和正常的,扭结不会随着掺杂而改变。”

研究小组认为,在这种情况下,发生了类似于电子-声子耦合的事情,但另一种激发是在电子之间而不是声子之间交换的。电子似乎是通过自旋涨落相互作用的,这与电子本身有关。自旋涨落是电子自旋的变化,或电子作为微小磁铁向上或向下指向的方式。

此外,科学家发现扭结的能量小于自旋涨落谱中急剧出现的能量。

峰(共振)的特征能量。他们的发现表明,自旋波动的 开始 (而不是共振峰)是观察到的扭结的原因,并且可能是将电子结合到HTS所需的电子对中的“胶水”。

接下来,研究小组计划通过获取SI-STM测量值来收集表明自旋波动与超导性有关的其他证据。他们还将对另一种著名的铜酸盐镧锶铜氧化物(LSCO)进行类似的实验。

瓦拉说:“我们第一次看到与超导性密切相关的东西。” “经过这些年来,我们现在对BSCCO和其他铜酸盐中可能导致超导的原因有了更好的了解。”

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