[논문 리뷰] Unconventional short-range structural fluctuations in cuprate high-$T_c$ superconductors

Damjan Pelc, R. J. Spieker외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 09.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 중성자 및 X선 산란을 이용해 코발트산염 고온 초전도체인 La2-xSrxCuO4와 Tl2Ba2CuO6+δ에서 보편적이고 비정상적인 단거리 구조적 변동을 규명하였다. 서로 다른 불순물 효과와 Tc 값을 지닌 시료들에서도 이러한 변동은 넓은 도핑 및 온도 범위에서 강건하게 단순한 스케일링을 보이며, 이는 비정상적 초전도성의 근본 원인이 될 수 있는 내재된 나노스케일 불균일성에서 기인할 가능성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다른 불순물 효과와 Tc 값을 지닌 코발트산염 고온 초전도체에서 단거리 구조적 변동의 성격과 보편성을 조사하는 것.
• 높은 평균 구조 대칭성을 지닌 조성에서 이러한 변동이 유지되는지와 도핑 및 온도 범위에서의 스케일링 행동을 규명하는 것.
• 이러한 변동의 물리적 기원을 탐색하고, 전이 전 현상 및 초전도성 변동과의 잠재적 연관성을 규명하는 것.
• 내재된 나노스케일 불균일성이 코발트산염에서 거시적 전자적 및 구조적 성질을 어떻게 결정짓는지 평가하는 것.

제안 방법

• La2-xSrxCuO4와 Tl2Ba2CuO6+δ에서 단거리 구조적 상관관계를 탐사하기 위해 중성자 및 X선 산란을 활용하였다.
• 도핑 및 온도 범위를 넓게 측정하여 산란 강도의 스케일링 행동을 규명하였다.
• 비판적 전이 근처의 전통적 임계 변동과 구별하기 위해 스케일링 영역을 분석하였다.
• 기존의 초전도성 변동과의 비교를 통해 유사점과 잠재적 상호작용을 규명하였다.
• 평균 구조 대칭성이 관측된 변동을 유지하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해 대칭성 분석을 수행하였다.
• 자료 수렴 기법을 적용하여 스케일링 행동의 보편성과 강건성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도의 평균 구조 대칭성을 지닌 코발트산염에서 단거리 구조적 변동이 유지되는가?
• RQ2 이러한 변동의 스케일링 행동은 제2종 상전이 근처의 임계 변동과 어떻게 다를까?
• RQ3 관측된 변동이 장거리 질서나 불순물이 아닌 내재된 나노스케일 불균일성에 기인한 것인가?
• RQ4 이러한 구조적 변동은 전이 전 현상 및 초전도성 변동과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 다른 코발트산염 계열에서 최적 Tc와 점 결함 특성이 다른 조건에서도 스케일링 행동이 보편적인가?

주요 결과

• La2-xSrxCuO4와 Tl2Ba2CuO6+δ에서 넓은 도핑 및 온도 범위에서 비정상적인 단거리 구조적 변동이 관측되었으며, 높은 평균 구조 대칭성을 지닌 조성에서도 유지되었다.
• 점 결함과 최적 Tc의 차이에도 불구하고 두 코발트산염 시스템 간에 보편적인 강건한 단순 스케일링 행동이 나타났다.
• 스케일링 영역은 제2종 전이 근처의 임계 변동과 유사하지만, 장거리 질서나 대칭성 붕괴와는 관련이 없고, 다른 물리적 기원을 지닌다.
• 이러한 변동은 내재된 나노스케일 불균일성에 의해 유도된 희귀한 구조적 변동으로 기인하며, 공통된 미시적 기원을 시사한다.
• 구조적 변동과 초전도성 변동 사이에 강력한 유사성이 발견되어, 코발트산염 물리학에서 공통된 기초 불균일성이 존재할 가능성을 시사한다.
• 이러한 발견은 나노스케일 불균일성이 고온 초전도체인 코발트산염의 전자적 성질을 결정짓는 데 핵심적인 역할을 하며, 초전도성 쌍화 메커니즘에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.