Nature：過摻雜超導體—臨界溫度與過摻雜氧化銅間的關系

【引言】

關于低摻雜的氧化銅超導體的物理性質，如贗能隙、自旋、電荷有序態等與材料超導性之間的影響的爭論一直較為激烈。而過摻雜（摻雜量不斷增加至超過最優摻雜量）的氧化銅則被認為是更為簡單，與費米子物理性質強相關的超導材料，同時也滿足傳統的Bardeen–Cooper–Schrieffer（BCS）理論。早先幾個關于過摻雜樣品的研究顯示材料的超流密度較預期更低，這主要歸因于配對失效，無序及相分離。

【成果簡介】

近期，來自布魯克海文國家實驗室的Bo?ovi?（通訊作者）及其他研究者通過研究La2?xSrxCuO4相圖的過摻雜部分，首次進行了關于過摻雜體系中超流密度的可靠性測量，提出材料的磁穿透深度和相硬度主要取決于溫度和摻雜量。在成千上萬個樣品中，研究者對摻雜量精確到百分之一的樣品進行磁穿透深度和相硬度絕對值的測定，得到的大數據呈現一個明顯的趨勢，并顯示出材料的固有性質。實驗所用到的薄膜是均質的，不同之處在于臨界超導溫度不同，相互間溫度差很小（小于1K）。任意摻雜量材料的相硬度隨著溫度呈直線下降。零溫材料的相硬度與臨界超導溫度間的關系近直線型，不過稍有偏移；而在原點處近似拋物線型。這些規律卻又與BCS理論不相符，仿佛大部分的超導電子消失了。

【圖文導讀】

圖一、合成與表征技術

（a）當薄膜呈現超導性時，Vp相內的實際組分，電壓貫穿入拾波線圈（與互感系數成比例）時表現出抗磁性篩選（邁斯納效應）。內嵌圖為實驗的簡略圖示。

（b）Vp的虛部表示，在10×10 mm2的薄膜中，材料的Tc是均勻的，都高于0.1K。

（c）穿透深度λ及復雜的a.c.（v=40kHz）導電性Reσ主要源于復阻抗。

（d）整個研究中樣品是基于原子層水平進行設計，LSAO表示LaSrAlO4結構。

圖二、超流體與溫度和摻雜量相互間的關系圖

（a）通過ALL-MBE合成100個最為均質的LSCO薄膜，并測量它們的穿透深度λ，得到λ-T圖像。通過紅綠虛線連同具顏色的陰影部分進行直觀描述。

（b）圖示為相硬度ρs-T圖像。

（c）過摻雜量最高的樣品的ρs(T)圖像，測量溫度低于0.3K。

（d）Tc與ρs0 ≡ ρs(T → 0)的關系圖。通過藍色小方塊來表示實驗數據；綠色虛線滿足Tc = T0 + αρs0（α = 0.37 ± 0.02，ρs0 > 15 K），紅色虛線滿足Tc = γ ρs0 （γ = (4.2 ± 0.5) K1/2，ρs0 < 12 K）。

圖三、通過ALL-MBE合成的過摻雜的LSCO薄膜為純超導體

（a）不同摻雜水平下LSCO薄膜的電阻率，自上而下分別為：p = 0.172，0.205，0.211，0.217，0.220，0.224，0.228，0.230，0.233，0.237，0.242，0.245，0.248，0.251，0.254，0.258，0.295。

（b）ρs-T圖像。紅線表示最優摻雜下的LSCO薄膜（p =0.16），具Zn摻雜，用Zn替代0.5%的Cu。藍線表示輕微過摻雜的純LSCO薄膜（p = 0.19）有相匹配的Tc（大約為38K）。純薄膜的ρs(T)圖像近似為線型，而帶有Zn摻雜的薄膜配對失效從而使ρs(T)圖像呈拋物線型，且Tc降低至25K。

文獻鏈接：Dependence of the critical temperature in overdoped copper oxides on superfluid density（Nature，2016，DOI：10.1038/nature19061）

Nature同期新聞評論：Condensed-matter physics: Superconducting electrons go missing（Nature，2016，DOI：10.1038/536282a）

本文由材料人電子電工學術組大黑天供稿，材料牛整理編譯。

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