[论文解读] Coexistence of charged stripes and superconductivity in Bi2Sr2CaCu2O8+d

Craig Howald, Hiroshi Eisaki+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2002

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 25被引用 4

一句话总结

本研究利用扫描隧道谱学（STS）在零磁场条件下，证明了在接近最佳掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+δ中，静态电荷富集条纹与超导性共存。这些条纹沿Cu-O键方向排列，周期为四个晶格常数，其在局域态密度（LDOS）中诱导出调制，使能态从超导能隙之上移至之下，表明两者具有共同的能量尺度，暗示二者具有统一的起源。

ABSTRACT

One of the most important outstanding problems in condensed matter physics is determination the ground state of strongly correlated electron system, in particular high-temperature superconductors (HTSC). For these materials, theoretical1-6 and experimental7-13 evidence has been mounting in support of the possibility that their ground state exhibits spin and charge density waves (SDW and CDW), which are primarily one-dimensional (i.e. stripes) and which either compete with or promote superconductivity. Coexistence of CDW or SDW and superconductivity has previously been reported in the lower Tc materials7-9,12,13 and in the presence of large magnetic fields10,11. The absence of data showing stripes in the higher Tc materials in zero field has lent support to the idea that stripes are competing with high temperature superconductivity. However, here we show, using scanning tunneling spectroscopy (STS), the existence of static striped density of electronic states in nearly optimally doped Bi2Sr2CaCu2O8+d in zero field. This modulation is aligned with the Cu-O bonds, with a periodicity of four lattice constants, and exhibits features characteristic of a two-dimensional system of line objects. We further show that the density of states modulation manifests itself as a shift of states from above to below the superconducting gap. The fact that a single energy scale (i. e., the gap) appears for both superconductivity and stripes suggests that these two effects have the same origin.

研究动机与目标

• 确定在零磁场条件下，电荷条纹是否与高温铜氧化物超导体中的超导性共存。
• 研究Bi2Sr2CaCu2O8+δ中电荷与自旋调制的空间与电子结构。
• 阐明条纹序与超导性之间的关系，特别是二者是竞争关系还是具有共同起源。
• 解决关于条纹在高温超导体中是竞争相还是衍生相的长期争议。

提出的方法

• 利用扫描隧道谱学（STS）在Bi2Sr2CaCu2O8+δ表面以原子级空间分辨率测绘局域态密度（LDOS）。
• 在低温（4.5 K）和零磁场条件下进行STS测量，以避免磁场引起的效应。
• 对LDOS图进行傅里叶分析，以提取电子结构中的周期性调制。
• 分析LDOS调制的能量依赖性，以确定其与超导能隙的关系。
• 将调制的空间周期性与方向与Cu-O键方向进行比较，以确认条纹特征。
• 将LDOS调制的能量尺度与超导能隙直接比较，以评估其潜在的共同起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零磁场条件下测量时，电荷条纹是否与Bi2Sr2CaCu2O8+δ中的超导性共存？
• RQ2 该材料中电子态密度调制的空间周期性与方向是什么？
• RQ3 LDOS调制在能量与空间上如何与超导能隙关联？
• RQ4 条纹序的能量尺度是否与超导性相同，暗示其具有共同起源？
• RQ5 所观测到的调制是否代表一种静态的、二维的线状缺陷阵列，与电荷条纹一致？

主要发现

• 在零磁场条件下，于Bi2Sr2CaCu2O8+δ中观测到周期为四个晶格常数的电荷条纹，证实其在无外场条件下存在于高温铜氧化物超导体中。
• 条纹沿Cu-O键方向排列，表明其与底层晶格具有强耦合。
• LDOS调制表现为电子态从超导能隙之上向之下移动，表明存在直接的电子耦合。
• 条纹调制的能量尺度与超导能隙能量相匹配，暗示二者具有共同起源。
• 在零场下静态条纹与超导性的共存，挑战了条纹纯粹抑制高温超导性的主流观点。
• 结果支持一种情景：电荷条纹与超导性并非相互排斥，而可能在材料的基态中相互交织。