[논문 리뷰] Crossover from two-dimensional to three-dimensional superconducting states in bismuth-based cuprate superconductor

Jing Guo, Yazhou Zhou외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 20.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 최적 doping을 받은 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 2.8 GPa 이상의 압력 조건에서 두 번째로 두 가지 차원(2D)에서 세 번째로 두 가지 차원(3D)으로의 초전도 상태로의 압력 유도 전이를 처음으로 실험적으로 관측한 바 있다. 고압에서의 저항, 자화율 저항 및 자기화율 측정을 실시간으로 수행한 결과, 2D 초전도 상태에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 유사 전이를 규명하였으며, 이는 이상 금속 상이 주로 2D 특성을 띠고 있음을 직접적인 증거로 제시한다. 이는 코발트산염 상도도 다이어그램을 이해하는 데 핵심적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 코발트산염의 이상 금속 상에서의 초전도 성질의 차원성에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 이상 금속 상에서 높은 초전도 전이 온도가 2D 또는 3D 전자 상태에서 기인하는지 규명하기 위해.
• 압력 조건에서 초전도 오더 파라미터 행동의 차원 전이를 실험적으로 탐구하기 위해.
• 비스무트 기반 코발트산염에서 고온 초전도성의 기원에 있어 차원성의 역할을 명확히 하기 위해.
• 이상 금속 상태와 두 번째로 두 가지 차원 초전도 플럭투에이션 간의 직접적인 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에 대해 고압에서의 저항, 자화율 저항 및 자기화율 측정을 실시간으로 수행함.
• 전자 차원성을 조절하고 차원 전이를 유도하기 위해 수압을 최대 2.8 GPa까지 가함.
• 저항의 온도 의존성을 분석하여 초전도 전이에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)-유사 행동을 규명함.
• 자기화율 측정을 통해 초전도 오더의 시작을 확인하고 2D 및 3D 특성을 구별함.
• 운반 및 자기 데이터를 연계하여 2D에서 3D로의 초전도 행동 전이를 규명함.
• 압력과 온도 안정성을 유지하기 위해 다중 프로브 실험 장치를 활용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비스무트 기반 코발트산염의 이상 금속 상에서 주로 두 번째로 두 가지 차원 초전도 플럭투에이션이 나타나는가?
• RQ2 최적 doping을 받은 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 두 번째로 두 가지 차원에서 세 번째로 두 가지 차원으로의 전이가 어느 압력에서 발생하는가?
• RQ3 초전도 전이 온도는 압력에 따라 어떻게 변화하며, 이는 초전도 대칭성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 압력 조건에서 2D 초전도 상태에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 유사 행동을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ5 이상 금속 상에서 관측된 고온 초전도성의 기원에서 차원성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 최적 doping을 받은 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 2.8 GPa 이상의 압력 조건에서 두 번째로 두 가지 차원에서 세 번째로 두 가지 차원으로의 초전도 상태 전이가 관측됨.
• 두 번째로 두 가지 차원 초전도 전이에서 저항의 온도 의존성에 의해 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)-유사 행동이 확인됨.
• 2D 초전도 플럭투에이션이 나타나는 것은 이상 금속 상이 주로 두 번째로 두 가지 차원 특성을 띠고 있음을 직접적인 실험적 증거로 제공함.
• 자기화율 측정 결과는 압력 증가에 따라 2D에서 3D로의 초전도 오더 전이가 일어남을 지지함.
• 결과적으로 이상 금속 상태와 두 번째로 두 가지 차원 초전도 플럭투에이션 간의 직접적인 연관성이 확립되어 코발트산염 물리학에서 오랫동안 지속된 논란을 해결함.
• 이 연구는 코발트산염에서 고온 초전도성 이론 모델에 대한 핵심적인 실험적 제약 조건을 제공함.