[论文解读] Current percolation model for the special resistivity behavior observed in Cu-doped Apatite

Qiang Hou, Wei Wei+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Theoretical and Computational Physics参考文献 16被引用 4

一句话总结

本研究基于Cu/Pb导电通道提出了一种电流渗滤模型，用以解释铜掺杂羟基磷灰石（Pb10−xCux(PO4)6O）中多样的电阻率行为，包括接近零电阻率和突变下降。尽管存在一些电阻率异常，但未观测到迈斯纳效应或明确的超导特征，因此结论认为该体系中的超导性仍未得到证实。

ABSTRACT

Since the initial report of the potential occurrence of room-temperature superconductivity under normal pressure [arXiv: 2307.12008], there has been significant interest in the field of condensed matter physics regarding Cu-doped Apatite (Pb10-xCux(PO4)6O). In this study, we performed temperature-dependent resistivity measurements on the synthesized Pb10-xCux(PO4)6O samples. The structure of the sample was confirmed to match the reference literature through X-ray diffraction analysis. Remarkably, we observed four distinct types of resistivity behaviors within samples from the same pellet: (1) A semiconductor-like behavior characterized by a decrease in resistivity as the temperature is lowered. (2) A gradual reduction in resistivity, reaching an exceptionally small value that falls below the resolution limits of our measurement equipment. (3) An abrupt drop in resistivity to a low value at ~ 250 K. (4) An almost linear reduction in resistivity exhibiting a transition at approximately 7 K (possibly associated with Pb). Following a thorough compositional analysis, we proposed a current percolation model, based on the formation of a Cu/Pb current channel, to elucidate the observed special resistivity behaviors. It is important to note that the Meissner effect was not observed in our magnetization measurements. Consequently, we reached the conclusion that the presence of superconductivity in Cu-doped Apatite has yet to be substantiated.

研究动机与目标

• 调查在室温超导性争议性声明后，铜掺杂羟基磷灰石（Pb10−xCux(PO4)6O）中异常电阻率行为的起源。
• 确定观测到的电阻率下降和低电阻率值是否由超导性或其它物理机制引起。
• 阐明铜掺杂和结构非均匀性在同一样品中产生多样化电学响应中的作用。
• 通过检查磁化率和迈斯纳效应特征，排除超导性的可能性。

提出的方法

• 使用物理性质测量系统（PPMS）的标准四探针法进行温度依赖性电阻率测量。
• 通过X射线衍射（XRD）确认合成的Pb10−xCux(PO4)6O样品的晶体结构。
• 利用能谱显微分析（EDS）进行元素组成分析，以评估铜和铅的分布情况。
• 通过振动样品磁强计（VSM）进行磁化率测量，以搜索迈斯纳效应和超导特征。
• 基于Cu/Pb导电通路的形成，提出一种电流渗滤模型，以解释电阻率异常。
• 分析M-H回线和ZFC/FC磁化率曲线，以检测铁磁性或超导性有序。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在同一铜掺杂羟基磷灰石颗粒中观察到四种不同的电阻率行为？
• RQ2 观测到的接近零电阻率是否可归因于超导性或其它机制？
• RQ3 样品中是否存在迈斯纳效应或磁悬浮的证据？
• RQ4 铜和铅阳离子在羟基磷灰石晶格中如何促进导电通路的形成？
• RQ5 结构非均匀性或杂质在多大程度上解释了电阻率异常？

主要发现

• 在同一颗粒中观察到四种不同的电阻率行为：半导体样下降、低于测量分辨率的接近零电阻率、约250 K处的突变下降，以及在约7 K附近呈现线性下降的转变。
• XRD确认主要相为Pb10−xCux(PO4)6O，元素分析中检测到少量杂质。
• 磁化率测量中未观测到迈斯纳效应，也未检测到类似超导的M-H回线。
• 磁化率数据在10–250 K范围内显示出铁磁性滞后回线，且在10 K、50 K和80 K处出现拐点，表明可能存在磁有序。
• 约250 K处的电阻率下降与ZFC曲线的拐点相关，可能源于结构或磁性相变。
• 缺乏迈斯纳信号且存在铁磁性组分，排除了超导性作为电阻率异常的起源。