[論文レビュー] A new superconductor of cuprates with unique features

W. M. Li, Liangzhong Cao+20 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、Tcが70 Kを超える新規穴ドープ銅酸化物超伝導体Ba2CuO4−δの発見を報告している。これは、同一構造を示すLa2CuO4よりも30 K以上高い。通常、CuO6八面体が著しく圧縮されており、Cu3dz²−r²軌道がdx²−y²軌道よりも高エネルギーに上昇するが、依然として高いTcを維持しており、dz²−r²成分が高Tc超伝導に悪影響を及えるという従来の見解に疑問を呈し、高Tc超伝導の安定化に新たな要因が存在することを示唆している。

ABSTRACT

The mechanism of superconductivity of cuprates remains one of the biggest challenges in condensed matter physics. High-Tc cuprates crystallize into layered perovskite structure typically featured with copper-oxygen octahedra forming corner shared network. Due to strong Jahn-Teller effect the octahedron in high Tc cuprates is elongated, placing the planar Cu3dx2-y2 orbital level at top, almost degenerate with the planar O2px and O2py orbitals, into which holes are doped. This situation is considered to be unique of the cuprates that sustains high Tc. Here we report the discovery of a new cuprate superconductor Ba2CuO4-d with La2CuO4 structure and with critical temperature (Tc) exceeding 70 K.The x-ray absorption measurement gives evidence that this cuprate is doped with a fairly large amount of holes. However, in contrast to the so-far known hole-doped high-Tc cuprates the new cuprate possesses an extraordinarily compressed octahedron with much shorter apical oxygen distance as well as much expanded in-plane Cu-O bond.Nevertheless, Tc is by more than 30 K higher than that for the isostructural hole-doped La2CuO4.In compressed octahedron the Cu3dz2-r2 orbital level is higher than the Cu3dx2-y2 orbital level.This suggests that considerable dz2-r2 orbital character might be mixed up in the states near the Fermi level which has been thought to be harmful for high-Tc superconductivity.The present work sheds renewed light on comprehensive understanding of necessary ingredients for high Tc and stability of pairing state in cuprate superconductors.

研究の動機と目的

• 不規則な電子的構造を示す新たな高Tc銅酸化物超伝導体の同定。
• 八面体歪みおよび軌道特性が高Tc超伝導の安定化に果たす役割の解明。
• 極端な構造的歪み（例：圧縮されたCuO6八面体）が超伝導転移温度に与える影響の理解。

提案手法

• 固体反応法を用いたLa2CuO4構造を有するBa2CuO4−δの合成。
• 新規銅酸化物における穴ドーピング量を定量化するためのX線吸収スペクトロスコピー。
• X線回折を用いた構造解析により、アピカル酸素距離および平面内Cu-O結合長を特定。
• 同一構造の穴ドープLa2CuO4と比較して、電子的構造およびTcを検討。
• 圧縮された八面体内の軌道エネルギー準位を分析し、Fermi準位近くのdz²−r²成分の寄与を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba2CuO4−δにおける極端な八面体圧縮は、標準的な銅酸化物と比較して超伝導転移温度にどのように影響するか？
• RQ2 dx²−y²軌道よりも上位に位置するCu3dz²−r²軌道成分が、超伝導状態において果たす役割は何か？
• RQ3 構造的および電子的差異が存在するにもかかわらず、Ba2CuO4−δがLa2CuO4よりも顕著に高いTcを示す理由は何か？
• RQ4 Ba2CuO4−δにおける穴ドーピングが、電子的構造および対結合メカニズムに及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 Fermi準位近くに顕著なdz²−r²成分が存在する場合、圧縮されたCuO6八面体が高Tc超伝導を支持できるか？

主な発見

• Ba2CuO4−δは、臨界温度（Tc）が70 Kを超えることが判明し、同一構造の穴ドープLa2CuO4を30 K以上上回っている。
• X線吸収測定により、新規銅酸化物が比較的大きな穴ドーピングを受けていることが確認された。
• Ba2CuO4−δにおけるCuO6八面体は、他の高Tc銅酸化物と比較して著しく圧縮されており、アピカル酸素距離が著しく短い。
• Ba2CuO4−δの平面内Cu-O結合は、従来の銅酸化物と比較して顕著に拡張している。
• アピカル圧縮によりCu3dz²−r²軌道がdx²−y²軌道よりも高エネルギーに上昇しても、高Tc超伝導が維持されている。
• Fermi準位近くに顕著なdz²−r²軌道成分が存在することは、長年にわたり支持されてきた「この混合は高Tc超伝導に悪影響を及える」という仮定に疑問を呈する。