[论文解读] Crossover from two-dimensional to three-dimensional superconducting states in bismuth-based cuprate superconductor

Jing Guo, Yazhou Zhou+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 48被引用 5

一句话总结

本研究首次在压力高于2.8 GPa的最优掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+δ中实验观测到二维（2D）到三维（3D）超导态之间的压力诱导交叉转变。通过原位高压电阻率、磁阻率和磁化率测量，作者在二维超导态中识别出类似贝列津-科斯特里茨-索利斯（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless）的相变，直接证明了奇异金属相主要具有二维特性，这对理解铜氧化物相图至关重要。

ABSTRACT

To decipher the mechanism of high temperature superconductivity, it is important to know how the superconducting pairing emerges from the unusual normal states of cuprate superconductors, including pseudogap, anomalous Fermi liquid and strange metal (SM). A long-standing issue under debate is how the superconducting pairing is formed and condensed in the SM phase because the superconducting transition temperature is the highest in this phase. Here, we report the first experimental observation of a pressure-induced crossover from two- to three-dimensional superconducting states in the optimally-doped Bi2Sr2CaCu2O8+delta bulk superconductor at a pressure above 2.8 GPa, through state-of-the-art in-situ high-pressure measurements of resistance, magnetoresistance and magnetic susceptibility. By analyzing the temperature dependence of resistance, we find that the two-dimensional (2D) superconducting transition exhibits a Berezinski-Kosterlitz-Thouless-like behavior. The emergence of this 2D superconducting transition provides direct and strong evidence that the SM state is predominantly 2D-like. This is important to a thorough understanding of the phase diagram of cuprate superconductors.

研究动机与目标

• 解决铜氧化物奇异金属相中配对维度长期存在的争议。
• 确定奇异金属相中高超导转变温度是否源于二维或三维电子态。
• 在压力下实验探测超导序参量行为的维度交叉转变。
• 阐明维度在铋基铜氧化物中高温超导电性出现过程中的作用。
• 提供直接实验证据，将奇异金属态与二维超导涨落联系起来。

提出的方法

• 对单晶Bi2Sr2CaCu2O8+δ进行原位高压输运测量，包括电阻率、磁阻率和磁化率。
• 施加高达2.8 GPa的静水压力，调节电子维度并诱导维度交叉转变。
• 通过分析电阻率的温度依赖性，识别超导转变中的贝列津-科斯特里茨-索利斯（BKT）类行为。
• 利用磁化率测量确认超导序的开始，并区分二维与三维特征。
• 关联输运与磁性数据，识别从二维到三维超导行为的转变。
• 采用多探针实验装置，以在测量过程中保持高压和温度稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 铋基铜氧化物的奇异金属相是否表现出主要的二维超导涨落？
• RQ2 在最优掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+δ中，二维到三维超导态的交叉转变发生在何种压力下？
• RQ3 超导转变温度如何随压力演化，这对配对对称性有何含义？
• RQ4 在压力下，二维超导态中是否能实验观测到类似贝列津-科斯特里茨-索利斯的行为？
• RQ5 维度在奇异金属相中观察到的高温超导电性中起何种作用？

主要发现

• 在最优掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+δ中，压力高于2.8 GPa时观测到从二维到三维超导态的交叉转变。
• 二维超导转变表现出类似贝列津-科斯特里茨-索利斯（BKT）的行为，由电阻率的温度依赖性证实。
• 二维超导涨落的出现为奇异金属相主要具有二维特性提供了直接实验证据。
• 磁化率测量支持随着压力增加，超导序从二维向三维转变。
• 研究结果建立了奇异金属态与二维超导涨落之间的直接联系，解决了铜氧化物物理学中长期存在的争议。
• 本研究为铜氧化物中高温超导电性的理论模型提供了关键的实验约束。