[论文解读] A new superconductor of cuprates with unique features

W. M. Li, Liangzhong Cao+20 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本文报告发现一种新的空穴掺杂铜氧化物超导体 Ba2CuO4−δ，其临界温度（Tc）超过 70 K——比其同结构的对应物 La2CuO4 高出 30 K 以上。尽管 CuO6 八面体异常压缩，导致 Cu3dz²−r² 轨道能级高于 dx²−y² 轨道能级，该体系仍保持高 Tc，这挑战了传统观点认为 dz²−r² 特性对高温超导不利的看法，提示可能存在新的增强配对稳定性的机制。

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.

研究动机与目标

• 识别具有非传统电子结构的新高温超导铜氧化物。
• 研究八面体畸变与轨道特性在稳定高温超导性中的作用。
• 理解极端结构畸变（如压缩的 CuO6 八面体）对超导转变温度的影响。

提出的方法

• 通过固相反应法合成具有 La2CuO4 结构的 Ba2CuO4−δ。
• 利用 X 射线吸收谱测定新铜氧化物中的空穴掺杂水平。
• 利用 X 射线衍射进行结构分析，测定轴向氧原子间距与面内 Cu-O 键长。
• 将电子结构与 Tc 与同结构的空穴掺杂 La2CuO4 进行比较。
• 分析压缩八面体中的轨道能级，评估 dz²−r² 轨道在费米能级附近的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba2CuO4−δ 中极端八面体压缩如何影响其超导转变温度，相较于常规铜氧化物？
• RQ2 当 Cu3dz²−r² 轨道特性位于 dx²−y² 轨道之上的情况下，它在超导态中起什么作用？
• RQ3 为何 Ba2CuO4−δ 的 Tc 显著高于 La2CuO4，尽管存在结构与电子差异？
• RQ4 Ba2CuO4−δ 中的空穴掺杂在多大程度上影响其电子结构与配对机制？
• RQ5 若 dz²−r² 特性在费米能级附近显著，压缩的 CuO6 八面体能否支持高温超导？

主要发现

• Ba2CuO4−δ 的临界温度（Tc）超过 70 K，比同结构的空穴掺杂 La2CuO4 高出 30 K 以上。
• X 射线吸收测量结果证实，该新铜氧化物具有相当高的空穴掺杂浓度。
• Ba2CuO4−δ 中的 CuO6 八面体异常压缩，其轴向氧原子间距远短于其他高温超导铜氧化物。
• Ba2CuO4−δ 中的面内 Cu-O 键长相比常规铜氧化物显著拉长。
• 尽管轴向压缩使 Cu3dz²−r² 轨道能级高于 dx²−y² 轨道能级，高温超导性仍得以保持。
• 费米能级附近存在显著的 dz²−r² 轨道特性，挑战了长期以来认为此类混合对高温超导有害的假设。