[논문 리뷰] Effect of disorder outside the CuO$_{2}$ planes on $T_{c}$ of copper oxide superconductors

Kazuhiro Fujita, Noda, T.외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 08. 25.

Copper-based nanomaterials and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고온 초전도체 Bi2201과 LSCO에서 CuO₂ 평면에 인접한 층의 이온 불순물이 초전도 전이 온도(Tc)에 미치는 영향을 조사한다. 저항성에 거의 영향을 주지 않는 약한 산란자임에도 불구하고, 이 면외 불순물은 Tc를 크게 억제하며, 기존 BCS 이론을 초월하는 새로운 메커니즘이 있음을 시사한다. 이 메커니즘은 다음 근접 이웃 전자상태 간의 전이 능력 t′의 局부 조절과 초전도 밀도의 감소와 관련되어 있을 가능성이 높다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체 Bi2201과 LSCO에서 CuO₂ 평면에 인접한 층의 불순물이 Tc에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 도핑과 평면 내 불순물(예: Zn)과의 영향을 분리하여 면외 불순물의 영향을 고립하기 위해.
• 이러한 불순물이 단순한 실수 농도 변화나 자성 쌍 파괴 메커니즘 외의 다른 메커니즘을 통해 Tc에 영향을 주는지 확인하기 위해.
• 격자 비정상성, 국소 전자 구조, 초전도 성질 간의 연관성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Ln = La, Nd, Eu, Gd를 이용한 희토류 이온 치환을 통해 제어된 불순물을 가진 단일결정 Bi2Sr1.6Ln0.4CuO6+δ (Ln-Bi2201) 및 La1.85-yNdySr0.15CuO4 (Nd-LSCO)를 합성하였다.
• Bi2201에서 Ln 농도(0.4)를, Nd-LSCO에서 Sr 농도(0.15)를 고정하여 모든 샘플에서 실수 농도를 일정하게 유지하였으며, 홀 계수 측정을 통해 확인하였다.
• 화학 스펙트로스코피를 이용한 유도 결합 플라즈마(ICP) 분석을 통해 화학 스토이키오메트리와 c축 격자 상수를 측정하여 도핑 수준을 모니터링하였다.
• Tc와 Meissner 신호를 측정하기 위해 고체 상태에서의 직접 자기화성도 측정(필드 냉각)을 실시하였으며, 산화물 농도 δ를 추정하기 위해 요오드화물 적정법을 사용하였다.
• 이온 반지름 불일치, 격자 비정상성, Tc 억제 간의 관계를 분석하였으며, t′ 전이 능력에 미치는 영향을 고려하였다.
• 실험적 Tc 억제와 국소 격자 비정상성 및 그에 따른 t′과 초전도 밀도 ρs에 미치는 영향을 고려한 이론 모델 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CuO₂ 평면에 인접한 층의 이온 불순물은 단일층 고온 초전도체에서 Tc에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 Tc 억제의 원인은 자성 쌍 파괴, 정공 포획, 또는 새로운 전자기구인가?
• RQ3 면외 불순물에 의한 탄성 전방 산란를 고려한 표준 d-파형 BCS 이론으로 Tc 억제를 설명할 수 있는가?
• RQ4 특히 다음 근접 이웃 전자상태 간 전이 능력 t′의 변화를 포함한 국소 격자 비정상성이 Tc 억제를 어떻게 매개하는가?
• RQ5 Tc와 t′/t 비율 간에 상관관계가 존재하는가? 그리고 불순물이 이 파rameter를 어떻게 조절할 수 있는가?

주요 결과

• Bi2201에서 이온 반지름 불일치가 증가함에 따라 Tc는 실수 농도가 일정한 상태에서 38.5 K(La)에서 30.5 K(Gd)로 크게 감소하였다.
• Tc 억제는 자성 쌍 파괴 때문이 아니며, 비자성 이온인 Eu가 자성 이온인 Nd보다 더 큰 감소를 유도함으로써 비자성 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 잔류 저항도가 낮게 유지되어 약한 산란을 의미하며, 강한 불순물 산란과는 불일치하지만, 탄성 전방 산란과 일치한다.
• 표준 d-파형 BCS 이론으로는 설명할 수 없는 상당한 Tc 억제가 관측되어, 새로운 many-body 효과가 존재함을 시사한다.
• 이 억제는 다음 근접 이웃 전자상태 간 전이 능력 t′를 조절할 수 있는 국소 격자 비정상성과 관련되어 있으며, 이는 피어미 표면의 반안도 영역에 영향을 줄 수 있다.
• Meissner 신호 감소와 Tc 억제가 상관관계가 있으며, 이는 초전도 밀도 ρs 감소를 의미하며, Uemura 관계와 일치한다.