[论文解读] Critical temperatures for superconducting phase-coherence and condensation in La2-xSrxCuO4

N. Cotón, M. V. Ramallo+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究通过电压-电流（V-I）特性与电阻率反常分析，实验测定 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 薄膜中的超导相位相干温度 $T_{\text{phase}}$ 和凝聚温度 $T_{\text{cond}}$。结果发现，所有掺杂水平下 $T_{\text{cond}}$ 仅比 $T_{\text{phase}}$ 高 3–5 K，强烈支持相位相干与凝聚几乎同时发生的场景，挑战了长期以来认为 $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 分离较大的强相位涨落模型。

ABSTRACT

A pivotal ongoing debate about cuprate superconductors (HTS) is the location of the transition temperatures for the superconducting wave function phase coherence and condensation, Tphase and Tcond. This shall elucidate which of two very different interactions dictate the macroscopic superconducting phase diagram of HTS: either those between normal-state carriers or those between preformed vortices and antivortices. Here, we present unambiguous experimental determinations of Tphase and Tcond in the prototypical HTS La2-xSrxCuO4 as a function of the doping level x. Tphase is measured as a sharp change in the exponent alpha of the voltage-current characteristics (V proportional to I^alpha). Tcond is determined from the critical rounding of the ohmic resistivity above Tphase. Our measurements indicate that the transition to macroscopic superconductivity is accompanied by phase coherence due to vortex-antivortex binding and also that, for all x, Tcond lies only a few Kelvin above Tphase, limiting then the shift of the transition due to vortex-antivortex correlations.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于铜氧化物中是否存在超导相位相干（$T_{\text{phase}}$）与凝聚（$T_{\text{cond}}$）在不同温度发生的争议。
• 为原型铜氧化物 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 在不同掺杂水平下提供 $T_{\text{phase}}$ 和 $T_{\text{cond}}$ 的明确实验证据。
• 检验强相位涨落模型的有效性，该模型假设由于 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）涨落，$T_{\text{cond}}$ 与 $T_{\text{phase}}$ 之间存在较大分离。
• 通过直接测量 $V \propto I^\alpha$ 中的临界指数 $\alpha$，澄清涡旋-反涡旋束缚与预形成对在超导转变中的作用。

提出的方法

• 测量 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 薄膜的电压-电流（V-I）特性，以提取温度依赖的指数 $\alpha$，即 $V \propto I^\alpha$ 中的 $\alpha$。
• 将 $T_{\text{phase}}$ 确认为 $\alpha$ 从 1（欧姆行为）急剧跃迁至 $\geq 3$ 的温度，这标志着通过涡旋-反涡旋束缚实现相位相干的开始，符合 Halperin 和 Nelson（HN）的预测。
• 通过 $T_{\text{phase}}$ 以上电阻率的临界弥散确定 $T_{\text{cond}}$，定义为电阻率一阶导数 $d\rho/dT$ 显现出明显反常上翘的温度 $T_{\text{upturn}}$。
• 采用背景扣除方法从电阻率中提取反常电导率 $\Delta\sigma$，以确保 $T_{\text{cond}}$ 的准确确定。
• 将观测到的 $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 分离与理论模型（包括 BKT 插值公式和 Ginzburg-Landau-Paris（GGL）理论）进行比较，以排除强涨落情景。
• 通过重新审视其拟合过程与涨落理论的一致性，批判性评估先前关于大 $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 分离的主张。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ 中，超导相位相干温度 $T_{\text{phase}}$ 与凝聚温度 $T_{\text{cond}}$ 的真实分离是多少？
• RQ2 观测到的 $V$-$I$ 非线性性（$\alpha \geq 3$）是否为 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）转变提供了明确证据？
• RQ3 观测到的 $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 差异是否与强相位涨落情景一致，还是更支持两者之间分离极小的场景？
• RQ4 本研究结果与基于 Nernst 效应或磁化率测量的先前关于大 $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 分离的主张相比如何？
• RQ5 观测到的反常电导率与电阻率反常是否能被 BKT 或 GGL 理论一致解释，还是与 $T_{\text{cond}}$ 以上涨落可忽略的假设相矛盾？

主要发现

• V-I 曲线中的临界指数 $\alpha$ 在 $T_{\text{phase}}$ 处从 1 急剧跃迁至 $\geq 3$，为涡旋-反涡旋束缚及相位相干的开始提供了直接实验证据。
• 电阻率在 $T_{\text{upturn}}$ 处表现出明显反常上翘，该温度被确定为 $T_{\text{cond}}$，标志着宏观超导性的开始。
• 在所有掺杂水平 $x$ 下，$T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 的差值均 $\lesssim 5$ K，表明相位相干与凝聚几乎同时发生。
• 这一小的分离与强相位涨落情景相矛盾，后者预测 $T_{\text{cond}} - T_{\text{phase}}$ 值为 20–60 K，尤其在轻掺杂区域更为显著。
• 观测到的 $\Delta\sigma$（反常电导率）在 $T_{\text{cond}}$ 以上与可忽略涨落的假设不一致，因为即使微小偏差（$\varepsilon = 0.1$）也会产生可观测的电阻率异常，与先前主张相矛盾。
• 将反常电导率拟合至 Halperin-Nelson 插值公式的尝试未能支持 $T_{\text{phase}}$ 到 $T_{\text{cond}}$ 范围内的类似 BKT 行为；相反，数据遵循类似平均场的 $t^{-1}$ 依赖关系，表明不存在强临界涨落。