[논문 리뷰] Disorder, Metal-Insulator crossover and Phase diagram in high-Tc cuprates

F. Rullier-Albenque, H. Alloul외 2명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2007. 10. 19.

Superconducting Materials and Applications인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고온 초전도체 코발트산염에서 저온에서의 저항률 상승 현상이 이전에 금속-절연체 전이 또는 경쟁 상들이라는 서술로 해석되었지만, 실제로는 점 결함과 나노스케일 불균일성에 기인한 불순물에 의해 유도된 것임을 보여준다. 청소된 YBCO에서 제어된 전자 조사 실험을 통해 저자들은 이러한 상승 현상이 Kondo 유사 로그 발산 형태(ρ(T) ∼ −log T)를 따르며, 그 크기는 불순물 형태에 따라 스케일링됨을 밝혀내었고, 초전도성과 반자성의 융합이 청소된 상태에서 가능할 수 있는 수정된 상도를 제안한다.

ABSTRACT

We have studied the influence of disorder induced by electron irradiation on the normal state resistivities $ρ(T)$ of optimally and underdoped YBa2CuOx single crystals, using pulsed magnetic fields up to 60T to completely restore the normal state. We evidence that point defect disorder induces low T upturns of rho(T) which saturate in some cases at low T in large applied fields as would be expected for a Kondo-like magnetic response. Moreover the magnitude of the upturns is related to the residual resistivity, that is to the concentration of defects and/or their nanoscale morphology. These upturns are found quantitatively identical to those reported in lower Tc cuprates, which establishes the importance of disorder in these supposedly pure compounds. We therefore propose a realistic phase diagram of the cuprates, including disorder, in which the superconducting state might reach the antiferromagnetic phase in the clean limit.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체 코발트산염에서 불순물 효과와 내재된 전자상 간의 영향을 분리하는 것.
• 부족 doping 및 최적 doping 상태에서 관측된 저항률 상승 현상이 자석장, 불순물, 또는 내재된 경쟁 상들 때문인지 규명하는 것.
• 불순물 형태(점 결함 대비 나노스케일 불균일성)와 저항률 상승의 크기 간의 정량적 연관성을 설정하는 것.
• 불순물이 핵심 매개변수로 포함된 수정된 3차원 상도를 제안하여 내재된 행동과 외재적 영향을 구분하는 것.

제안 방법

• 10^14 e/cm²/s의 MeV 전자 조사로 YBa2Cu3Ox 단결정(산소 농도 ~6.6 및 7)에 점 결함과 나노스케일 불균일성을 도입하였다.
• 조사 후 및 후열처리 이후 저온(1.5 K까지)에서 4점 저항측정을 실시하여 결함 유도 저항률 변화를 고립시켰다.
• 초전도성을 억제하고 정상 상태를 완전히 복원하기 위해 c축 방향으로 60 T 이하의 퉁성 자기장을 적용하였다.
• 저항률 데이터는 희박한 자기 이mpurity에서의 Kondo 유사 산산화를 특징으로 하는 로그 발산(ρ(T) ∼ −log T)을 분석하였다.
• 점 결함(무작위 분포된 빈점)과 나노스케일 불균일성(집합된 결함)에서의 저항률 상승을 비교하여 불순물 형태를 탐색하였다.
• 구멍 도핑(nh), 최적 Tc, MIC 시작점 간의 상관관계를 여러 코발트산염 계열(YBCO, LSCO, Bi2201 등)에서 분석하여 불순물 영향을 맵핑하는 상도를 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부족 doping 및 최적 doping 상태의 코발트산염에서 저항률 상승 현상이 내재된 전자 불안정성보다 불순물에 기인한 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 불순물 형태(점 결함 대비 나노스케일 불균일성)가 저항률 상승의 크기와 온도 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 국소 자기 모멘트가 없는 상황에서 관측된 ρ(T) ∼ −log T 행동이 Kondo 유사 현상론으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 불순물 존재가 초전도성 도우미와 금속-절연체 전이의 위치 및 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 '순수한' 코발트산염인 YBCO에서 내재된 불순물의 역할은 무엇이며, 이는 내재된 전자상에 접근하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이전에 금속-절연체 전이로 해석되었던 YBCO의 저온 저항률 상승 현상은 내재된 전자 불안정성 때문이 아니라 전자 조사로 유도된 불순물에 기인한 것이다.
• 낮은 결함 농도에서 저항률 상승 현상은 Kondo 유사 로그 발산 형태(ρ(T) ∼ −log T)를 따르며, 강한 전자 상호작용과 관련된 비탄성 산산화 과정을 나타낸다.
• 저항률 상승의 크기는 불순물 형태에 크게 의존한다: 나노스케일 불균일성이 점 결함보다 더 급격한 기울기를 가진 상승 현상을 유도한다.
• 조사된 YBCO에서 관측된 저항률 행동은 '순수한' 저온 초전도체 코발트산염(LSCO, Bi2201 등)과 일치하며, 보편적인 불순물 유도 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 어느 코발트산염 계열의 최적 Tc는 그 내재된 불순물 수준을 신뢰할 수 있는 지표로 사용되어 통합된 3차원 상도에 계열을 배치할 수 있다.
• 이 연구는 내재된 특성—특히 부족 doping 상태의 허위 갭 영역에서의 특성—는 YBCO 7 또는 YBCO 6.6과 같이 잘 정렬된 화합물에서만 접근 가능하며, 불순물이 많은 샘플에서는 접근 불가능하다고 결론 내린다.