[論文レビュー] Effect of disorder outside the CuO$_{2}$ planes on $T_{c}$ of copper oxide superconductors

Kazuhiro Fujita, Noda, T.+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2005

Copper-based nanomaterials and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、単層カルコパイライト超伝導体Bi2201およびLSCOにおけるCuO₂面に隣接する層内のカチオン不純度が超伝導転移温度（Tc）に与える影響を調査する。抵抗率にほとんど影響を与えない弱い散乱子であるにもかかわらず、この面外不純度はTcを顕著に低下させる。これは、従来のBCS理論を越える新しいメカニズムを示しており、おそらく次近接結合積分t′の局所的変調および超伝導密度の低下に関連していると考えられる。

ABSTRACT

The effect of disorder on the superconducting transition temperature $T_{c}$ of cuprate superconductors is examined. Disorder is introduced into the cation sites in the plane adjacent to the CuO$_{2}$ planes of two single-layer systems, Bi$_{2.0}$Sr$_{1.6}$Ln$_{0.4}$CuO$_{6+δ}$ and La$_{1.85-y}$Nd$_{y}$Sr$_{0.15}$CuO$_{4}$. Disorder is controlled by changing rare earth (Ln) ions with different ionic radius in the former, and by varying the Nd content in the latter with the doped carrier density kept constant. We show that this type of disorder works as weak scatterers in contrast to the in-plane disorder produced by Zn, but remarkably reduces $T_{c}$ suggesting novel effects of disorder on high-$T_{c}$ superconductivity.

研究の動機と目的

• 高Tcカルコパイライト超伝導体におけるCuO₂面に隣接する層内の不純度がTcに与える影響を調査すること。
• ドーピングおよび面内不純物（例：Zn）とは分離して、面外不純度の影響を特定すること。
• このような不純度が、単なるキャリア密度の変化や磁気的対結合破壊によるものではなく、他のメカニズムによってTcに影響を与えているかどうかを同定すること。
• 格子歪み、局所的電子構造、および超伝導特性との関係を探索すること。

提案手法

• ランタニドイオン（Ln = La, Nd, Eu, Gd）またはNd含有量の置換を用いて制御された不純度を有するBi2Sr1.6Ln0.4CuO6+δ（Ln-Bi2201）およびLa1.85-yNdySr0.15CuO4（Nd-LSCO）の単結晶を合成した。
• Bi2201ではLn含有量（0.4）を固定し、Nd-LSCOではSr含有量（0.15）を固定することで、全サンプルでキャリア密度を一定に保った。ホール係数測定により確認した。
• ストイキオメトリを検証するため誘導結合プラズマ（ICP）分光法を用い、ドーピングレベルをモニタリングするためc軸格子定数を測定した。
• Tcおよびメイサナー効果を測定するため、冷却磁場下でのdc磁化率測定を実施し、酸素含有量δを推定するためヨウ素定量滴定法を用いた。
• イオン半径の不一致、格子歪み、Tc低下の関係を分析し、t′結合積分への影響を検討した。
• 実験的Tc低下を、局所的格子歪みがt′および超伝導密度ρsに与える影響を含む理論モデルと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CuO₂面に隣接する層内のカチオン不純度は、単層カルコパイライト超伝導体におけるTcにどのように影響を与えるか？
• RQ2 観察されたTc低下は、磁気的対結合破壊、ホール捕獲、または新しい電子的メカニズムによるものか？
• RQ3 面外不純物からの弾性前向散乱を仮定した標準的なd波BCS理論でTc低下を説明できるか？
• RQ4 特に次近接結合積分t′の変化に関連する局所的格子歪みが、このTc低下を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 Tcとt′/t比との相関関係は存在するか？不純度がこのパラメータをどのように変調するか？

主な発見

• イオン半径の不一致が増加するに従い、Tcは顕著に低下し、Ln-Bi2201ではLaで38.5 KからGdで30.5 Kに低下したが、キャリア密度は一定であった。
• Tc低下は磁気的対結合破壊によるものではなく、非磁性のEuが磁性のNdよりも大きな低下を示すため、非磁性のメカニズムであることが示された。
• 残留抵抗率は低く保たれており、弱い散乱を示しており、強い不純物散乱とは一致しないが、弾性前向散乱と整合的である。
• 顕著なTc低下は、前向散乱を仮定した標準的なd波BCS理論では説明できないため、新しいmany-body効果を示唆している。
• Tc低下は、次近接結合積分t′を変調する可能性のある局所的格子歪みと関連しており、フェルミ表面の反対称的領域に影響を与えている。
• メイサナー信号の低下はTc低下と相関しており、超伝導密度ρsの減少を示しており、Uemura則と整合的である。