[论文解读] A spin ladder compound doubles its superconducting TC under a gentle uniaxial pressure

D. Mohan Radheep, R. Thiyagarjan+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用 3

一句话总结

本研究证明，在自旋梯化合物Sr3Ca11Cu24O41的梯状平面方向施加仅0.06 GPa的轻柔单轴压力，可使其超导转变温度（TC）从12 K提高至24 K。与以往需要约5 GPa才能达到12 K的静水压实验不同，这种各向异性的压力调控揭示了相反的作用：面内压力增强TC，而面外压力则抑制TC，为设计更高TC的铜氧化物超导体提供了新途径。

ABSTRACT

Discovery of new high TC superconductors, with TC > 23 K, continues to be challenging. We have doubled the existing TC of single crystal Sr3Ca11Cu24O41, a spin ladder cuprate, from 12K to 24K, using a gentle uniaxial pressure ~ 0.06 GPa. In contrast, earlier works used a nearly 100 times larger hydrostatic pressure 5 GPa, only to reach a maximum TC ~ 12K. Our work exposes large and nearly equal, but opposing contributions to changes in TC, arising from compressions along and perpendicular to ladder planes, in hydrostatic pressure experiments. In our resistivity measurements, uniaxial pressure applied along ladder planes increase TC, while that perpendicular to ladder planes decrease TC. Our findings i) offers a new hope for further increase in TC in spin ladder compounds and ii) calls for a large shift in phase boundaries of the currently accepted pressure-temperature phase diagram.

研究动机与目标

• 探究各向异性压力对自旋梯化合物Sr3Ca11Cu24O41超导转变温度（TC）的影响。
• 克服以往静水压实验的局限性，该实验虽施加了高达~5 GPa的压力，但TC始终无法超过12 K。
• 研究单轴压力是否能在该复杂氧化物中实现比静水压更大的TC增强。
• 阐明沿不同结晶学方向的晶格畸变在调控超导性中的作用。

提出的方法

• 使用特制的砧压装置，沿单晶Sr3Ca11Cu24O41的梯状平面方向（c轴）施加单轴压力。
• 测量在单轴压力下电阻率随温度的变化，以确定超导转变温度（TC）。
• 与先前的静水压实验结果进行对比，以分离压力效应的方向依赖性。
• 通过精确的压力标定与控制，施加极低的单轴压力（~0.06 GPa），远低于早期静水压研究中使用的5 GPa。
• 分析TC随压力诱导的改变，以区分面内与面外晶格压缩的贡献。
• 系统性地改变压力方向，以分离超导态的各向异性响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋梯化合物Sr3Ca11Cu24O41中，单轴压力能否实现比静水压更大的TC增强？
• RQ2 压力对TC的影响是否具有方向依赖性，特别是在沿梯状平面与垂直于梯状平面方向之间？
• RQ3 为何尽管施加了高压，静水压实验仍无法使TC超过12 K，而单轴压力却可实现24 K？
• RQ4 沿不同结晶学轴的压缩应变如何差异性地影响该材料中的超导配对机制？
• RQ5 这种各向异性压力响应对当前对该氧化物压力-温度相图的理解有何影响？

主要发现

• 沿梯状平面施加单轴压力，使超导转变温度（TC）从12 K提高至24 K，实现有效加倍。
• 该增强仅需0.06 GPa的单轴压力，较静水压实验所需的5 GPa低约100倍。
• 面内单轴压力增强TC，而面外压力则抑制TC，揭示了不同晶格方向贡献的显著且相反的作用。
• 结果表明，静水压实验掩盖了压力响应中的强烈各向异性，而这种各向异性对TC调控至关重要。
• 研究结果挑战了当前的压力-温度相图，提示必须进行重大修订以纳入方向性压力效应。
• 本工作通过有针对性的各向异性应变工程，为在自旋梯化合物中实现更高TC开辟了新途径。