[論文レビュー] Crossover from two-dimensional to three-dimensional superconducting states in bismuth-based cuprate superconductor

Jing Guo, Yazhou Zhou+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+δにおいて2.8 GPaを超える圧力下で、二次元（2D）から三次元（3D）超伝導状態への圧力誘発遷移が初めて実験的に観測された。インサイト・ハイドロスタティック圧力下での抵抗、磁気抵抗、および磁化率の測定を用いて、著者らは2D超伝導状態にBerezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）に類似した転移を特定し、奇妙な金属相が主として2D的性質を示していることを直接的証明した。これは、銅酸化物相図を理解する上で極めて重要である。

ABSTRACT

To decipher the mechanism of high temperature superconductivity, it is important to know how the superconducting pairing emerges from the unusual normal states of cuprate superconductors, including pseudogap, anomalous Fermi liquid and strange metal (SM). A long-standing issue under debate is how the superconducting pairing is formed and condensed in the SM phase because the superconducting transition temperature is the highest in this phase. Here, we report the first experimental observation of a pressure-induced crossover from two- to three-dimensional superconducting states in the optimally-doped Bi2Sr2CaCu2O8+delta bulk superconductor at a pressure above 2.8 GPa, through state-of-the-art in-situ high-pressure measurements of resistance, magnetoresistance and magnetic susceptibility. By analyzing the temperature dependence of resistance, we find that the two-dimensional (2D) superconducting transition exhibits a Berezinski-Kosterlitz-Thouless-like behavior. The emergence of this 2D superconducting transition provides direct and strong evidence that the SM state is predominantly 2D-like. This is important to a thorough understanding of the phase diagram of cuprate superconductors.

研究の動機と目的

• 銅酸化物の奇妙な金属相における超伝導ペアリングの次元性に関する長年の論争を解消すること。
• 奇妙な金属相における高い超伝導転移温度が2Dまたは3D電子状態に起因するのかを特定すること。
• 圧力下における超伝導秩序パラメータの挙動における次元的遷移を実験的に探ること。
• ビスマス系銅酸化物における高臨界温度超伝導の出現における次元性の役割を明確にすること。
• 奇妙な金属状態と2次元超伝導フラクチュエーションの直接的実験的証明を提供すること。

提案手法

• 単結晶Bi2Sr2CaCu2O8+δを用いたインサイト・ハイドロスタティック圧力下での抵抗、磁気抵抗、および磁化率の測定。
• 2.8 GPaまでの静水圧を印加し、電子的次元性を調整し、次元的遷移を誘発する。
• 抵抗の温度依存性を分析して、超伝導転移におけるBerezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）に類似した挙動を同定する。
• 磁化率測定を用いて超伝導秩序の発生を確認し、2Dと3Dの性質を区別する。
• 輸送および磁気データの相関を用いて、2Dから3Dへの超伝導挙動の遷移を同定する。
• 高圧および温度安定性を維持するためのマルチプローブ実験装置を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビスマス系銅酸化物の奇妙な金属相は、主として2次元的超伝導フラクチュエーションを示すか？
• RQ2 最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+δにおいて、2次元から3次元への超伝導状態への遷移がどの圧力で発生するか？
• RQ3 超伝導転移温度は圧力とともにどのように変化し、これはペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ4 圧力下における2次元超伝導状態でBerezinskii-Kosterlitz-Thoulessに類似した挙動を実験的に観測できるか？
• RQ5 高臨界温度超伝導の出現における次元性の役割は何か？

主な発見

• 最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+δにおいて、2.8 GPaを超える圧力下で2次元から3次元への超伝導状態への圧力誘発的遷移が観測された。
• 2次元超伝導転移は、抵抗の温度依存性によりBerezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）に類似した挙動を示した。
• 2次元超伝導フラクチュエーションの出現は、奇妙な金属相が主として2次元的性質を示していることを直接的実験的証明した。
• 磁化率測定により、圧力が上昇するに従い2次元から3次元への超伝導秩序への遷移が支持された。
• 本研究により、奇妙な金属状態と2次元超伝導フラクチュエーションとの直接的関連性が確立され、銅酸化物物理学における長年の論争が解決された。
• 本研究は、銅酸化物における高温超伝導の理論的モデルに重要な実験的制約を提供した。