science >> Wetenschap >  >> Fysica

Dynamische fluctuaties in ladingsdichtheid die het fasediagram van een op Cu gebaseerde high-Tc supergeleider doordringen

Plaatweerstanden van de NBCO- en YBCO-films als functie van de temperatuur. De plaatweerstand RΩ is uitgezet als functie van de temperatuur voor (A) monster UD60b (dikte:100 nm; afgezet onder dezelfde omstandigheden als monster UD60); (B) monster UD81 (dikte:50 nm); (C) monster OP90 (dikte:100 nm); (D) monster OD83 (dikte:50 nm). De kritische temperatuur Tc van de films is geëxtraheerd uit het maximum van de eerste afgeleide van de R(T)-karakteristiek (inzet in de vier panelen). De pseudogap-temperatuur T* wordt in plaats daarvan afgeleid door de afwijking van het lineaire R(T)-gedrag bij hoge temperatuur, wat een handtekening is van de vreemde metaalfase van cuprates (stippellijn in de vier panelen). Voor het monster OD83, de temperatuur T* is niet gedefinieerd. Inderdaad, het monster is enigszins overdreven, zoals benadrukt door de kromming van de R(T)-karakteristiek bij lagere temperatuur, wat het tegenovergestelde is van wat kenmerkend is voor de ondergedoopte films. In dit dopingbereik de temperatuur die kan worden afgeleid uit de afwijking van het lineaire R(T)-gedrag bij hoge temperatuur is de zogenaamde coherentietemperatuur Tcoh. Tcoh vertegenwoordigt een overgangstemperatuur van een coherente naar een onsamenhangende metaaltoestand, waargenomen door middel van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aav1315

Fluctuaties in de ladingsdichtheid worden waargenomen in alle families van supergeleidende cupraten met een hoge kritische temperatuur (Tc). Hoewel constant gevonden in het ondergedoteerde gebied van het fasediagram bij relatief lage temperaturen, natuurkundigen zijn onduidelijk hoe de substraten ongebruikelijke eigenschappen van deze systemen beïnvloeden. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op Wetenschap , R. Arpaia en medewerkers van de afdelingen microtechnologie en nanowetenschappen, de Europese Synchrotron, en fysica van kwantumapparaten in Italië, Zweden en Frankrijk gebruikten resonante röntgenverstrooiing om de modulaties van de ladingsdichtheid in Yttrium Barium Copper Oxide (YBa 2 Cu 3 O 7– ) en Neodymium Barium Koperoxide (Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7–ẟ ) voor verschillende dopingniveaus. Het onderzoeksteam isoleerde dynamische ladingsdichtheidsfluctuaties op korte afstand (CDF's) naast de eerder bekende quasi-kritische ladingsdichtheidsgolven (CDW). De resultaten bleven ruim boven de pseudo-gap-temperatuur T*, die ze kenmerkten door een paar milli-elektronvolt (meV) om zich over een groot gebied van het fasediagram te verspreiden.

Cuprate-supergeleiders voor hoge temperaturen (HTS) verschillen van het Landau Fermi-vloeistofparadigma vanwege de quasi-tweedimensionaliteit (2-D) van hun gelaagde structuur en de grote elektron-elektronafstoting. Tijdens optimale dotering en de pseudo-gaptoestand (toestanden waarbij minder dan optimale stroomdragerconcentraties resulteren in afwijkende elektronische eigenschappen), korte tot middellange afstand ladingsdichtheid golfvolgorde kan ontstaan ​​om zwak te concurreren met supergeleiding. Natuurkundigen ontwikkelden eerst theoretische voorstellen van CDW en lage energieladingsfluctuaties nadat ze voor het eerst HTS hadden ontdekt. Vervolgens, ze ontwikkelden experimenteel bewijs in selectieve materialen en in alle cuprate-families. Onderzoekers hadden een driedimensionale CDW-orde (3-D CDW) op lange afstand waargenomen in de supergeleidingskoepel binnen hoge magnetische velden die de supergeleiding verzwakken of in epitaxiaal gegroeide (afzetting van een kristallijne laag op een kristallijn substraat) monsters. Natuurkundigen debatteren momenteel over de relevantie van dergelijke fluctuaties in de ladingsdichtheid (CDF's) op de onconventionele normale toestand en op de supergeleidende toestand van HTS.

Quasi-elastische scan langs de (H, 0) richting voor verschillende YBa2Cu3O7–d en Nd1+xBa2–xCu3O7–d films met verschillende zuurstofdoteringen. De quasi-elastische intensiteit werd bepaald door integratie van de Cu L3 RIXS-spectra gemeten bij verschillende q|| waarden in het energie-interval [–0,2 eV, +0,15 eV]. De metingen werden uitgevoerd bij verschillende temperaturen op de volgende monsters:(A) Optimaal gedoteerde NBCO, p ≈ 0,17. (B) Ondergedoteerde YBCO, p ≈ 0,14. (C) Ondergedoteerde NBCO, p 0,11. (D) Isolerende NBCO, p <0,05. De inzet in (C) toont de piekintensiteit Ipeak versus T-1 voor monsters OP90 (cirkels) en UD60 (vierkanten). De extrapolatie naar T → ∞ geeft een schatting van de intrinsieke achtergrond van het signaal (bgr). Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aav1315

Vaststellen in hoeverre fluctuerende en statische ladingsdichtheidsmodulaties hebben bijgedragen aan het fasediagram in het huidige werk; Arpaia et al. de variabelen gemeten in YBa 2 Cu 3 O 7– (YBCO) en Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7–ẟ (NBCO) als functie van doping en temperatuur. Ze ontdekten de aanwezigheid van CDF's (fluctuaties van de ladingsdichtheid) over een breed gebied van het fasediagram om het belang van controle van de ladingsdichtheid te versterken, die de normale toestand eigenschappen van cuprates bepaald. De nieuwe bevindingen waren consistent met eerder waargenomen korte tot middellange afstanden in hoge magnetische velden.

Tijdens de experimenten, Arpaia et al. gemeten resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) op vijf YBCO- en NBCO-films (waaronder NBCO:OP90, UD60 en YBCO UD81) die een reeks zuurstofdoteringsfasen omvatten. De onderzoekers brachten de film over van het antiferromagnetische gebied (AF) naar het ongedoteerde (UD) en optimaal gedoteerde (OP) gebied, tot in de licht overgedoopte regio. De wetenschappers observeerden quasi-elastisch (bijna nul energieverlies) van de RIXS-spectra bij verschillende temperaturen voor sommige monsters. In tegenstelling tot, het antiferromagnetische monster (NBCO AF) vertoonde geen pieken boven de lineaire achtergrond. De onderzoekers somden de uitkomsten van fittingen voor verschillende monsters op en observeerden specifiek twee pieken bij lage temperaturen; een brede piek (BP) en een smalle piek (NP). Ze zagen dat de BP een vergelijkbare positie deelde met NP, maar met een heel andere en bijna constante temperatuurafhankelijkheid. Als resultaat, Arpaia et al. schreef de brede piek toe aan ladingsmodulaties op zeer korte afstand, zoals de schommelingen in de ladingsdichtheid die van belang zijn.

Twee verschillende pieken die passen bij NBCO UD60-gegevens. (A) Quasielastische scan gemeten langs (H, 0) op monster UD60 bij T =250 K (rode cirkels). (B) Na het aftrekken van de lineaire achtergrond, gegeven door de quasi-elastische scan gemeten langs de Brillouin-zonediagonaal [open vierkanten in (A)], een duidelijke piek is nog steeds aanwezig, die kan worden gemonteerd door een Lorentz-profiel (stippellijn). (C) Hetzelfde als (A), maar bij T =60 K (paarse cirkels). (D) Na het aftrekken van de lineaire achtergrond [open vierkanten in (C)], de gegevens kunnen worden voorzien van een som van twee Lorentz-profielen (ononderbroken lijn):één bredere (stippellijn), vergelijkbaar met die gemeten bij 250 K, en de tweede smaller en intenser (stippellijn). (E) De 3D-schets toont de quasi-elastische scans gemeten langs H (kubussen) en langs K (bollen) bij T =60 K op monster UD60, samen met de Lorentz-profielen die werden gebruikt om ze te passen. Een smalle piek (NP, blauw oppervlak) komt tevoorschijn bij qNP c =(0,325, 0) van een veel bredere piek (BP, rood oppervlak) gecentreerd op qBP c =(0,295, 0). Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aav1315

Het team bestudeerde verder de energie geassocieerd met de brede piek om het dubbele karakter van het fenomeen en het effect ervan op CDF's te begrijpen met behulp van instrumenten met hoge resolutie. Ze maten de RIXS-spectra op specifieke monsters bij geselecteerde temperaturen en bij de golfvector van het brede piekmaximum. Bij alle temperaturen, ze merkten op dat de hoofdpiek iets breder was dan de resolutie van het instrument (40 meV) met een sterkere inelastische component bij hogere temperatuur. Ze schreven deze quasi-elastische piek toe aan fononen (atomaire trillingen) als gevolg van elastische diffuse verstrooiing van de imperfecties van het monsteroppervlak en als gevolg van ladingsfluctuaties. Ze observeerden dat het fenomeen temperatuuronafhankelijk was of afnam bij afkoeling.

Het team gebruikte de informatie vervolgens om de bijdrage aan de ladingsdichtheid beter te extraheren. Na verdere theoretische interpretaties van de experimentele resultaten, Arpaia et al. toonde aan dat de brede piek het resultaat is van dynamische CDF's met puur 2D-karakter ten opzichte van het individuele koperoxide (CuO 2 ) vliegtuigen - gekenmerkt door niet-kritiek gedrag. Ze bevestigden ook het ultrakorte bereik van de brede piek. In tegenstelling tot, ze schreven de smalle piek toe aan quasi-kritieke CDW's, die alleen onder de begintemperatuur verscheen (T QC ). Dergelijke quasi-kritische CDW's concurreerden vervolgens met de supergeleiding van de cuprates.

Kenmerken van de twee ladingsdichtheidsmodulatiepieken. De grafieken tonen de temperatuurafhankelijkheid van de parameters van de twee Lorentz-profielen die worden gebruikt om de quasi-elastische pieken van monsters UD60 en OP90 te beschrijven (vierkanten verwijzen naar de smalle piek, cirkels naar de brede piek). (A en B) Intensiteit. (C en D) FWHM. TQC is 175 K voor monster UD60 en 155 K voor monster OP90. T3D is 33 K voor monster UD60 en 24 K voor monster OP90. (E en F) Volume van de ladingsdichtheidsmodulaties. Het totale volume (driehoeken), gegeven door de som van de volumes van de twee pieken, wordt gedomineerd door de brede piek. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aav1315

Na het verzamelen van de experimentele gegevens, het team visualiseerde het scenario van een continue cross-over van pure dynamische CDF's (ladingsdichtheidsfluctuaties) bij hoge temperatuur en alle doping naar een quasi-kritische CDW (ladingsdichtheidsgolf) onder T QC . Vervolgens visualiseerden ze een statische 3D CDW, die typisch wordt gehinderd in de aanwezigheid van supergeleiding in de cupraatmaterialen. Het werk toonde aan dat de tot nu toe genegeerde dynamische CDF's in cuprates het grootste deel van de ijsberg van het CDW-fenomeen vertegenwoordigden. De dynamische CDF's doordrongen een groot deel van het fasediagram, waar hun totale verstrooiingsintensiteit over alle temperaturen domineerde. De experimentele dynamische CDF's concurreerden niet met supergeleiding - in overeenstemming met het theoretische voorstel.

Statische en dynamische ladingsvolgorde in het fasediagram van de HTS-cuprates. (A) Het Tp-fasediagram van cuprates wordt meestal gemarkeerd door de antiferromagnetische, pseudo-kloof, en supergeleidende gebieden (respectievelijk gekenmerkt door de begintemperaturen TN, T*, en Tc). Onze resultaten bewijzen dat de meeste van deze regio's doordrongen zijn van een of andere soort modulaties van de ladingsdichtheid. De smalle piek beschrijft de CDW's, manifesteert zich in een gebied (lichtblauw) onder TQC (kruisen). Deze 2D CDW's zijn quasi-kritisch en zijn voorlopers van de statische 3D CDW's (blauw gebied). Ook al hebben we geen directe toegang tot deze koepel zonder een magnetisch veld, de temperaturen T3D (vierkanten) die we afleiden uit de T-afhankelijkheid van de NP FWHM kwamen overeen met die eerder bepaald door NMR en harde röntgenverstrooiingsexperimenten. De brede piek beschrijft fluctuaties in ladingsdichtheid op korte afstand (CDF's), die het fasediagram domineren (rood gebied), naast de quasi-kritische 2D CDW's en met supergeleiding, en aanhoudend zelfs boven T*. In tegenstelling tot, CDF's verdwijnen in ongedoteerde/antiferromagnetische monsters (wit gebied), terwijl hun voorkomen tussen p ~ 0,05 en p ~ 0,08 nog moet worden bepaald. Om de karakteristieke energieën w0 geassocieerd met de BP te evalueren, we hebben RIXS-spectra met hoge resolutie gemeten bij verschillende temperaturen op de monsters OP90 en UD60. (B) Quasi-elastische component van de spectra (na aftrekking van de fononbijdrage) bij T =90, 150, en 250K, gemeten op monster OP90 bij q|| =(0,31, 0). (C en D) De experimentele 150 K-250 K en 90 K-150 K verschilspectra, gepresenteerd in (B), worden getoond (bollen), samen met de theoretische berekening (vaste gebieden). De gegevens kwamen overeen met de theorie, uitgaande van w0 ≈ 15 meV bij 150 en 250 K en w0 ≈ 7 meV bij 90 K [stippellijnen in (C) en (D)]. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aav1315

In aanvulling, de zwakke koppeling van de CuO 2 vlakken in de materialen resulteerden in CDW-orders met een gemarkeerd 2D-teken. Vanwege sterke kwantumthermische dynamische fluctuaties hadden dergelijke cuprates alleen een echt statisch karakter nodig onder een temperatuur waarbij een statische 3-D CDW-orde werd gevormd (T 3-D ) . Om de supergeleiding van de YBCO- en NBCO-cuprates te onderdrukken en statische 3-D CDW's te verkrijgen, hadden de wetenschappers daarom sterke magnetische velden of epitaxiaal gegroeide monsters nodig. Het onderzoeksteam streeft ernaar andere cuprate-families te testen en de dopingregio's uit te breiden om de algemene toepasbaarheid van het dynamische CDF-scenario dat in het huidige werk wordt waargenomen, te bevestigen.

Op deze manier, Arpaia et al. presenteerde de meest intrigerende bevindingen van het werk als de overvloedige aanwezigheid van een brede piek veroorzaakt door dynamische CDF's, met kleine energieën van een paar meV die zich uitstrekken over een breed momentumbereik. Het lage-energieverstrooiingsmechanisme van quasideeltjes dat in het onderzoek werd waargenomen, maakte de cuprates een aantrekkelijke kandidaat om het Fermi-vloeistoffenomeen te produceren. De kenmerken die experimenteel werden gedemonstreerd in het huidige werk, hadden tot dusverre de meest prominente eigenaardigheden van cuprate-supergeleiders bij hoge temperatuur gedefinieerd.

© 2019 Wetenschap X Netwerk

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoeveel steenarenden zijn er?
  2. Wat gebeurt er als mitose verkeerd gaat?
  3. De voordelen van het bestuderen van cellen onder een lichtmicroscoop
  4. Grazende paarden op betere weiden
  5. Het leefgebied van de panda krimpt, steeds meer gefragmenteerd worden
  6. Hoeveel tijd kost het om een ​​DNA-molecuul te repliceren?
  7. Tasmaanse tijger gedoemd lang voordat er mensen kwamen
  8. Een natuurlijke schimmelstam kan olielekkages opruimen en de oliezanden van Albertas weer tot leven brengen
  9. Stappen van DNA Transcriptie

Wetenschap