[論文レビュー] Disorder, Metal-Insulator crossover and Phase diagram in high-Tc cuprates

F. Rullier-Albenque, H. Alloul+2 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Oct 19, 2007

Superconducting Materials and Applications被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、高温超伝導体の低温抵抗率上昇が、従来金属-絶縁体遷移や競合秩序の兆候であると解釈されてきたが、実際には点欠陥およびナノスケールの不均一性に起因する不純物に起因することを示している。清浄なYBCOを用いた制御された電子線照射により、これらの上昇がKondo様対数発散（ρ(T) ∼ −log T）に従い、その大きさが不純物の形態に比例することを明らかにした。著者らは、超伝導性と反強磁性が清浄極限で統合される可能性を示唆する、見直された相図を提唱する。

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.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体における不純物効果と内在的電子相の影響を分離すること。
• アンダードープおよび最適ドーピング領域の超伝導体で観察された抵抗率上昇が、外部磁場、不純物、または内在的競合秩序に起因するかを特定すること。
• 不純物の形態（点欠陥対ナノスケールの不均一性）と抵抗率上昇の大きさとの間の定量的関係を確立すること。
• 不純物を主要パラメータとして含む、内在的挙動と外部要因を区別できる見直された3次元相図を提唱すること。

提案手法

• 10^14 e/cm²/sのMeV電子線を用いた制御された電子線照射により、酸素含有量が約6.6および7のYBa2Cu3Ox単結晶に点欠陥およびナノスケールの不均一性を導入した。
• 照射後および後続アニール処理後に、低温（1.5 Kまで）での4端子dc抵抗率測定を実施し、欠陥に起因する抵抗率変化を分離した。
• 超伝導性を抑制し、正常状態を完全に回復させるために、c軸方向に最大60 Tのパルス磁場を印加した。
• 抵抗率データは、希釈磁性不純物におけるKondo様散乱の特徴である対数発散（ρ(T) ∼ −log T）の有無について分析した。
• 点欠陥（ランダムに分布するバニティ）とナノスケールの不均一性（凝集した欠陥）の抵抗率上昇を比較することで、不純物の形態を調査した。
• 穴ドーピング濃度（nh）、最適Tc、MIC発現点を、YBCO、LSCO、Bi2201など複数の超伝導体ファミリーで相関させ、不純物効果をマップする相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープおよび最適ドーピング領域の超伝導体における抵抗率上昇の多くが、内在的電子不安定性ではなく不純物に起因する程度はどの程度か？
• RQ2 不純物の形態（点欠陥対ナノスケールの不均一性）が、抵抗率上昇の大きさおよび温度依存性にどのように影響するか？
• RQ3 局在的磁気モーメントが存在しないにもかかわらず、観察されたρ(T) ∼ −log Tの挙動をKondo様の記述で説明できるか？
• RQ4 不純物の存在が、超伝導ドームおよび金属-絶縁体遷移の位置と形状にどのように影響するか？
• RQ5 「純粋」な超伝導体（例：YBCO）における内在的不純物の役割は何か？ また、これは内在的電子相への到達可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 従来金属-絶縁体遷移の兆候であると解釈されてきたYBCOの低温抵抗率上昇は、実際には電子線照射に起因する不純物に起因するものであり、内在的電子不安定性によるものではないことが示された。
• 低欠陥濃度領域では、抵抗率上昇がKondo様対数発散（ρ(T) ∼ −log T）に従い、強い電子相関に起因する非弾性散乱プロセスを示している。
• 抵抗率上昇の大きさは不純物の形態に強く依存しており、ナノスケールの不均一性は点欠陥よりも急勾配の上昇を示した。
• 照射されたYBCOにおける観察された抵抗率挙動は、「純粋」な低温超伝導体（例：LSCO、Bi2201）と一致しており、普遍的な不純物駆動メカニズムであることを示している。
• ある超伝導体ファミリーの最適Tcは、その内在的不純物レベルを信頼できるプロキシとして用いることができ、複数のファミリーを統合した3次元相図への配置が可能になる。
• 本研究の結論として、特にアンダードープ準位ギャップ領域の内在的性質は、YBCO 7やYBCO 6.6のような良好に整った化合物でのみアクセス可能であり、不純物を含む試料では得られない。