[논문 리뷰] A new superconductor of cuprates with unique features

W. M. Li, Liangzhong Cao외 20명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 28.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 구조적으로 동일한 La2CuO4와 비교해도 Tc가 70 K 이상인 새로운 구리산염 초전도체 Ba2CuO4−δ를 보고한다. 이는 약 30 K 높은 Tc를 기록한다. 일반적으로는 dz²−r² 성분이 높은 Tc 초전도성과 부정적 상관관계가 있다고 여겨지지만, 이 시스템은 압축된 CuO6 삼각기둥에서조차도 높은 Tc를 유지한다. 이는 기존의 이론적 관점에 도전하며, 향상된 쌍화 안정성에 새로운 요소가 존재할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The mechanism of superconductivity of cuprates remains one of the biggest challenges in condensed matter physics. High-Tc cuprates crystallize into layered perovskite structure typically featured with copper-oxygen octahedra forming corner shared network. Due to strong Jahn-Teller effect the octahedron in high Tc cuprates is elongated, placing the planar Cu3dx2-y2 orbital level at top, almost degenerate with the planar O2px and O2py orbitals, into which holes are doped. This situation is considered to be unique of the cuprates that sustains high Tc. Here we report the discovery of a new cuprate superconductor Ba2CuO4-d with La2CuO4 structure and with critical temperature (Tc) exceeding 70 K.The x-ray absorption measurement gives evidence that this cuprate is doped with a fairly large amount of holes. However, in contrast to the so-far known hole-doped high-Tc cuprates the new cuprate possesses an extraordinarily compressed octahedron with much shorter apical oxygen distance as well as much expanded in-plane Cu-O bond.Nevertheless, Tc is by more than 30 K higher than that for the isostructural hole-doped La2CuO4.In compressed octahedron the Cu3dz2-r2 orbital level is higher than the Cu3dx2-y2 orbital level.This suggests that considerable dz2-r2 orbital character might be mixed up in the states near the Fermi level which has been thought to be harmful for high-Tc superconductivity.The present work sheds renewed light on comprehensive understanding of necessary ingredients for high Tc and stability of pairing state in cuprate superconductors.

연구 동기 및 목표

• 비정상적인 전자 구조를 가진 새로운 고온 초전도성 구리산염을 규명하는 것.
• 삼각기둥의 비대칭성과 궤도 성분이 고온 초전도성의 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 극한의 구조적 비대칭, 예를 들어, 圧축된 CuO6 삼각기둥이 초전도 전이 온도에 미치는 영향을 이해하는 것.

제안 방법

• 고체 반응를 통해 La2CuO4의 구조를 가진 Ba2CuO4−δ의 합성.
• 새로운 구리산염에서 정공 도핑 수준을 정량화하기 위해 X선 흡수 분석을 수행.
• 입자 간 Cu-O 결합 길이와 축방향 산소 거리를 결정하기 위해 X선 회절 분석을 이용한 구조 분석.
• 동일한 구조를 가진 정공 도핑된 La2CuO4와의 전자 구조 및 Tc 비교.
• 압축된 삼각기둥 내 궤도 에너지 수준 분석을 통해 Fermi 수준 근처에서 dz²−r² 기여도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba2CuO4−δ에서 극한의 삼각기둥 압축은 표준 구리산염과 비교해 초전도 전이 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 dx²−y² 궤도보다 위에 위치한 Cu3dz²−r² 궤도 성분이 초전도 상태에서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 Ba2CuO4−δ는 구조적 및 전자적 차이가 있음에도 불구하고 La2CuO4보다 훨씬 높은 Tc를 나타내는 이유는 무엇인가?
• RQ4 Ba2CuO4−δ에서의 정공 도핑이 전자 구조와 쌍화 메커니즘에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 Fermi 수준 근처에서 dz²−r² 성분이 두드러지면, 圧축된 CuO6 삼각기둥이 고온 초전도성을 지속할 수 있는가?

주요 결과

• Ba2CuO4−δ는 70 K를 초과하는 임계 온도(Tc)를 나타내며, 동일한 구조를 가진 정공 도핑된 La2CuO4보다 30 K 이상 높다.
• X선 흡수 측정 결과, 새로운 구리산염은 상당한 정도의 정공이 도핑되어 있음을 확인했다.
• Ba2CuO4−δ의 CuO6 삼각기둥은 이질적으로 압축되어 있으며, 다른 고온 초전도체보다 축방향 산소 거리가 훨씬 짧다.
• Ba2CuO4−δ의 평면 내 Cu-O 결합 길이는 전통적인 구리산염보다 현저히 길어졌다.
• 축방향의 압축으로 인해 Cu3dz²−r² 궤도가 dx²−y² 궤도 위에 올라가지만, 고온 초전도성이 유지된다.
• Fermi 수준 근처에서 상당한 양의 dz²−r² 궤도 성분이 존재함에도 불구하고, 오랫동안 지속된 가정인 '이러한 혼합은 고온 초전도성에 해로운 영향을 미친다'는 주장이 도전받고 있다.