[论文解读] Vortex Transport Entropy in cuprate superconductors and Boltzmann Constant

R. P. Huebener, H.-C. Ri|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 8被引用 5

一句话总结

本研究利用Nernst效应和Ettingshausen效应数据，计算外延生长的铜氧化物超导体YBa2Cu3O7–δ和Bi2Sr2CaCu2O8+x中每个CuO2双层的涡旋输运熵。通过将单位长度涡旋线的熵乘以c轴方向的晶格常数，作者发现所得的每个CuO2双层的熵约等于玻尔兹曼常数（kB ≈ 1.38 × 10⁻²³ J/K），表明在这些二维系统中，涡旋准粒子的行为如同热力学粒子。

ABSTRACT

The vortex transport entropy in the mixed state of the cuprate superconductors YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-{\delta}}$ and Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+x}$ at the maximum Nernst or Ettingshausen signal below $T_c$ is discussed. The vortex transport entropy per CuO$_2$ double layer in the cuprate epitaxial films is found to be close to the Boltzmann constant.

研究动机与目标

• 研究当按CuO2双层缩放时，铜氧化物超导体中的涡旋输运熵是否趋近于玻尔兹曼常数。
• 确定铜氧化物中的涡旋动力学是否可使用类似于原子或分子的热力学概念来描述。
• 检查不同实验配置（Nernst效应与Ettingshausen效应）和材料（YBCO与BSCCO）之间涡旋熵的一致性。
• 解决外延薄膜与单晶YBa2Cu3O7–δ之间熵值的不一致问题。

提出的方法

• 从YBa2Cu3O7–δ和Bi2Sr2CaCu2O8+x外延薄膜及单晶中的最大Nernst和Ettingshausen信号测量涡旋输运熵（Sφ）。
• 使用从涡旋运动在热场和电场作用下的受力平衡推导出的公式(4)和(6)，计算单位长度涡旋线的Sφ。
• 通过c轴方向的晶格常数对Sφ进行缩放，得到每个CuO2双层的熵贡献（Sφc）。
• 使用H.-C. Ri等人[5]的实验数据进行外延薄膜，T. T. M. Palstra等人[6]的实验数据进行单晶。
• 比较不同材料和测量技术下的Sφc值，评估其与kB的一致性。
• 将涡旋晶格视为热力学系统，其中每个涡旋的熵以kB为单位量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜氧化物超导体中每个CuO2双层的涡旋输运熵是否趋近于玻尔兹曼常数？
• RQ2 为何YBa2Cu3O7–δ单晶中Ettingshausen效应测量得到的Sφc值约为kB的3–4倍，而外延薄膜中并非如此？
• RQ3 每个晶胞的涡旋输运熵是否与每个晶胞中CuO2双层的数量成正比，如独立贡献所预期？
• RQ4 铜氧化物中的涡旋准粒子是否可被视为类似于原子或分子的热力学实体？
• RQ5 当正确缩放至每层贡献时，Nernst效应与Ettingshausen效应是否给出一致的熵值？

主要发现

• 在YBa2Cu3O7–δ外延薄膜中，Nernst效应下Sφc值（0.69–1.38 × 10⁻²³ J/K）接近kB（1.38 × 10⁻²³ J/K），表明每个CuO2双层的熵约为kB。
• 对于每个晶胞含两个CuO2双层的Bi2Sr2CaCu2O8+x外延薄膜，Sφc值（4.26–5.12 × 10⁻²³ J/K）约为kB的两倍，与加和贡献一致。
• 在YBa2Cu3O7–δ单晶中，Ettingshausen效应下Sφc值（4.88–5.47 × 10⁻²³ J/K）显著高于kB，表明该差异尚未得到解释。
• 结果支持涡旋在铜氧化物中可被视为热力学粒子，其熵以kB为单位量化。
• 外延薄膜中Sφc与kB的一致性表明，二维铜氧化物系统中的涡旋准粒子可能表现出基本的热力学行为。