[論文レビュー] Critical temperatures for superconducting phase-coherence and condensation in La2-xSrxCuO4

N. Cotón, M. V. Ramallo+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、電圧-電流（$V$-$I$）特性および抵抗率上昇解析を用いて、La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$膜における超伝導相位整合温度 $T_{\text{phase}}$ と凝縮温度 $T_{\text{cond}}$ を実験的に決定した。全ドーピングレベルにおいて $T_{\text{cond}}$ が $T_{\text{phase}}$ のわずか 3–5 K のみ上にあることが判明し、相位整合と凝縮がほぼ同時に発生するというシナリオを強く支持するものであり、長年にわたり提唱されてきた大きな $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 閾値を伴う強相位揺らぎモデルに反する。

ABSTRACT

A pivotal ongoing debate about cuprate superconductors (HTS) is the location of the transition temperatures for the superconducting wave function phase coherence and condensation, Tphase and Tcond. This shall elucidate which of two very different interactions dictate the macroscopic superconducting phase diagram of HTS: either those between normal-state carriers or those between preformed vortices and antivortices. Here, we present unambiguous experimental determinations of Tphase and Tcond in the prototypical HTS La2-xSrxCuO4 as a function of the doping level x. Tphase is measured as a sharp change in the exponent alpha of the voltage-current characteristics (V proportional to I^alpha). Tcond is determined from the critical rounding of the ohmic resistivity above Tphase. Our measurements indicate that the transition to macroscopic superconductivity is accompanied by phase coherence due to vortex-antivortex binding and also that, for all x, Tcond lies only a few Kelvin above Tphase, limiting then the shift of the transition due to vortex-antivortex correlations.

研究の動機と目的

• 銅酸化物超伝導体における超伝導相位整合（$T_{\text{phase}}$）と凝縮（$T_{\text{cond}}$）が別々の温度で発生するかどうかという長年の論争を解決すること。
• ドーピングレベルにわたる、代表的な銅酸化物超伝導体 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ における $T_{\text{phase}}$ と $T_{\text{cond}}$ の明確な実験的証拠を提供すること。
• Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）揺らぎに起因する $T_{\text{cond}}$ と $T_{\text{phase}}$ 間の大きな隔たりを仮定する強相位揺らぎシナリオの妥当性を検証すること。
• 直接的に臨界指数 $\alpha$ を測定することで、ストロベリーアンチストロベリー対の結合と予備形成対の役割を明らかにし、超伝導転移における役割を明確化すること。

提案手法

• La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ の薄膜における電圧-電流（$V$-$I$）特性の測定により、温度依存の $V \propto I^\alpha$ の指数 $\alpha$ を抽出する。
• HalperinとNelson（HN）の予測に従い、$\alpha$ が 1（オーム的）から $\geq 3$ に急激に増加する温度を $T_{\text{phase}}$ と特定し、ストロベリーアンチストロベリー対の結合に起因する相位整合の開始を示す。
• $T_{\text{phase}}$ 以上の領域における抵抗率の臨界丸みを用いて $T_{\text{cond}}$ を決定し、$d\rho/dT$ に顕著な上昇を示す温度 $T_{\text{upturn}}$ を $T_{\text{cond}}$ と定義する。
• 背景補正法を用いて抵抗率からパラコンダクティビティ $\Delta\sigma$ を抽出し、$T_{\text{cond}}$ の正確な決定を保証する。
• 理論的モデル（BKT補間式およびGinzburg-Landau-Paris：GGL理論）と比較することで、強揺らぎシナリオを除外する。
• 過去の大きな $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 閾値の主張を、再評価によるフィッティング手順と揺らぎ理論との整合性の観点から批判的に検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ における超伝導相位整合温度 $T_{\text{phase}}$ と凝縮温度 $T_{\text{cond}}$ の真の隔たりは何か？
• RQ2 観測された $V$-$I$ 非線形性（$\alpha \geq 3$）は、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）転移を明確に示す証拠となるか？
• RQ3 観測された $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 閾値は、強相位揺らぎシナリオと整合するか、それとも両者の転移間に最小限の隔たりがあるというシナリオを支持するか？
• RQ4 Nernst効果や磁化測定に基づく過去の大きな $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 閾値の主張と、本研究の結果はどのように比較されるか？
• RQ5 観測されたパラコンダクティビティと抵抗率の上昇は、BKT理論やGGL理論で一貫して説明可能か？それとも、$T_{\text{cond}}$ 以上の領域で揺らぎが無視できるという仮定に矛盾するか？

主な発見

• $V$-$I$曲線における臨界指数 $\alpha$ は、$T_{\text{phase}}$ で 1 から $\geq 3$ に急激に増加し、ストロベリーアンチストロベリー対の結合と相位整合の開始を直接的な実験的証明とする。
• 抵抗率は $T_{\text{upturn}}$ で顕著な上昇を示し、これが $T_{\text{cond}}$ として特定され、マクロな超伝導の開始を示す。
• 全ドーピングレベル $x$ において、$T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ の差は $\lesssim 5$ K に留まり、相位整合と凝縮がほぼ同時に発生することを示している。
• この小さな隔たりは、強相位揺らぎシナリオ（特にアンダードープ領域で $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ が 20–60 K に達すると予測）を矛盾させるものであり、反する。
• 観測された $\Delta\sigma$（パラコンダクティビティ）は、揺らぎが無視できるという仮定と整合しない。わずかなずれ（$\varepsilon = 0.1$）でも顕著な抵抗率異常を引き起こすため、過去の主張とは矛盾する。
• パラコンダクティビティをHalperin-Nelson補間式にフィットさせても、$T_{\text{phase}}$ から $T_{\text{cond}}$ の範囲で BKT 的な挙動を支持しない。データは実質的に平均場的 $t^{-1}$ 依存に従い、強い臨界揺らぎが存在しないことを示している。