[論文レビュー] Unconventional short-range structural fluctuations in cuprate high-$T_c$ superconductors

Damjan Pelc, R. J. Spieker+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、中性子およびX線散乱による拡산散乱を用いて、銅酸化物高Tc超伝導体La2-xSrxCuO4およびTl2Ba2CuO6+δにおける普遍的で非従来的な短距離構造揺らぎを明らかにした。異なる不純度効果とTc値を示すにもかかわらず、広いドーピングおよび温度範囲で、揺らぎは強固で単純なスケーリングを示し、非秩序的ナノスケール不均一性に起因する共通の起源である可能性を示唆している。これは、非代替的超伝導の背後にある要因である可能性がある。

ABSTRACT

The interplay between structural and electronic degrees of freedom in complex materials is the subject of extensive debate in physics and materials science. Particularly interesting questions pertain to the nature and extent of pre-transitional short-range order in diverse systems ranging from shape-memory alloys to unconventional superconductors, and how this microstructure affects macroscopic properties. Here we use neutron and X-ray diffuse scattering to uncover universal structural fluctuations in La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ and Tl$_2$Ba$_2$CuO$_{6+δ}$, two cuprate superconductors with distinct point disorder effects and optimal superconducting transition temperatures. The fluctuations are present in wide doping and temperature ranges, including compositions that maintain high average structural symmetry, and they exhibit unusual, yet simple scaling behavior. The scaling regime is robust and universal, similar to the well-known critical fluctuations close to second-order phase transitions, but with a distinctly different physical origin. We relate this behavior to pre-transitional phenomena in a broad class of systems with structural and magnetic transitions, and propose an explanation based on rare structural fluctuations caused by intrinsic nanoscale inhomogeneity. We also uncover parallels with superconducting fluctuations, which indicates that the underlying inhomogeneity plays an important role in cuprate physics.

研究の動機と目的

• 異なる不純度効果およびTc値を示す銅酸化物高Tc超伝導体における短距離構造揺らぎの性質と普遍性を調査すること。
• 高い平均構造対称性を示す組成においてもこれらの揺らぎが持続するか、およびドーピングおよび温度にわたるスケーリングの様子を特定すること。
• これらの揺らぎの物理的起源を解明し、遷移前現象および超伝導揺らぎとの潜在的関連を検討すること。
• 内在的ナノスケール不均一性が銅酸化物におけるマクロな電子的および構造的性質をどのように規定しているかを評価すること。

提案手法

• La2-xSrxCuO4およびTl2Ba2CuO6+δにおける短距離構造相関を調べるために、中性子およびX線拡散散乱を用いた。
• ドーピングおよび温度の広い範囲で拡散散乱強度を測定し、スケーリング行動を特定した。
• スケーリング領域を、2次相転移付近の従来の臨界揺らぎとは区別するために分析した。
• 既知の超伝導揺らぎと構造揺らぎを比較し、類似点と潜在的相互作用を同定した。
• 平均構造対称性の役割を評価するために対称性解析を実施した。
• データコラプス技術を用いて、スケーリング行動の普遍性および強度を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高平均構造対称性および顕著な不純度効果を示す銅酸化物において、短距離構造揺らぎは持続するか？
• RQ2 これらの揺らぎのスケーリング行動は何か？ また、2次相転移付近の臨界揺らぎとはどのように異なるか？
• RQ3 観察された揺らぎは、長距離秩序や不純度ではなく、内在的ナノスケール不均一性に起因するとみなせるか？
• RQ4 これらの構造揺らぎは、遷移前現象および超伝導揺らぎとどのように関連しているか？
• RQ5 最適Tcおよび点欠陥特性が異なる銅酸化物系において、スケーリング行動は普遍的か？

主な発見

• La2-xSrxCuO4およびTl2Ba2CuO6+δの両系において、広いドーピングおよび温度範囲で非従来的短距離構造揺らぎが観測された。これは、高い平均構造対称性を持つ組成においても同様に成立した。
• これらの揺らぎは、点欠陥の違いや最適Tcの相違にもかかわらず、普遍的かつ強固な単純スケーリングを示した。
• スケーリング領域は2次相転移付近の臨界揺らぎに類似しているが、長距離秩序や対称性の破れとは関連しない、明確に異なる物理的起源を持つ。
• 揺らぎは、内在的ナノスケール不均一性によって駆動されるまれな構造揺らぎに起因するとされ、共通の微視的起源を示唆している。
• 構造揺らぎと超伝導揺らぎとの間には強い類似性が認められ、銅酸化物物理学における共通の不均一性が関与している可能性を示唆した。
• 本研究の結果は、ナノスケール不均一性が高Tc銅酸化物における電子的性質を媒介する根本的な役割を果たしている可能性を示し、超伝導ペアリング機構に影響を与えている可能性がある。