[论文解读] Disorder, Metal-Insulator crossover and Phase diagram in high-Tc cuprates

F. Rullier-Albenque, H. Alloul+2 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Oct 19, 2007

Superconducting Materials and Applications被引用 10

一句话总结

本研究表明，高温超导铜氧化物中低温电阻率异常上升现象——此前被解释为金属-绝缘体转变或竞争序的标志——实际上是由点缺陷和纳米尺度非均匀性引起的局域 disorder 所驱动。通过在洁净 YBCO 中实施受控电子辐照，作者发现这些异常上升遵循类似 Kondo 的对数发散行为（ρ(T) ∼ −log T），其大小与 disorder 形貌相关，并提出一个修订后的三维相图，其中在清洁极限下，超导性和反铁磁性可能相互融合。

ABSTRACT

We have studied the influence of disorder induced by electron irradiation on the normal state resistivities $ρ(T)$ of optimally and underdoped YBa2CuOx single crystals, using pulsed magnetic fields up to 60T to completely restore the normal state. We evidence that point defect disorder induces low T upturns of rho(T) which saturate in some cases at low T in large applied fields as would be expected for a Kondo-like magnetic response. Moreover the magnitude of the upturns is related to the residual resistivity, that is to the concentration of defects and/or their nanoscale morphology. These upturns are found quantitatively identical to those reported in lower Tc cuprates, which establishes the importance of disorder in these supposedly pure compounds. We therefore propose a realistic phase diagram of the cuprates, including disorder, in which the superconducting state might reach the antiferromagnetic phase in the clean limit.

研究动机与目标

• 区分高温超导铜氧化物中 disorder 效应与内在电子相的影响。
• 确定在欠掺杂和最佳掺杂铜氧化物中观测到的电阻率异常上升是否由外加磁场、disorder 或内在竞争序引起。
• 建立 disorder 形貌（点缺陷与纳米尺度非均匀性）与电阻率异常上升幅度之间的定量关联。
• 提出一个包含 disorder 作为关键参数的修订版铜氧化物三维相图，以区分内在行为与外部效应。

提出的方法

• 采用 MeV 电子束（剂量率为 10^14 e/cm²/s）进行受控电子辐照，在氧含量约为 6.6 和 7 的 YBa2Cu3Ox 单晶中引入点缺陷和纳米尺度非均匀性。
• 辐照及退火后，在低温下（低至 1.5 K）进行四探针直流电阻率测量，以隔离缺陷引起的电阻率变化。
• 沿 c 轴施加高达 60 T 的脉冲磁场，以抑制超导性并完全恢复正常态，从而实现精确的电阻率分析。
• 对电阻率数据进行分析，检测对数发散行为（ρ(T) ∼ −log T），这是稀释磁性杂质中类似 Kondo 散射的特征。
• 通过比较点缺陷（随机分布的空位）与纳米尺度非均匀性（聚集缺陷）引起的电阻率异常上升，探测 disorder 形貌。
• 通过关联多个铜氧化物家族（YBCO、LSCO、Bi2201 等）的空穴掺杂浓度 (nh)、最优 Tc 和 MIC 起始温度，构建相图以描绘 disorder 的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂和最佳掺杂铜氧化物中，电阻率异常上升在多大程度上源于 disorder 而非内在电子不稳定性？
• RQ2 disorder 的形貌（点缺陷与纳米尺度非均匀性）如何影响电阻率异常上升的幅度和温度依赖性？
• RQ3 尽管缺乏局域磁矩，观测到的 ρ(T) ∼ −log T 行为能否通过类似 Kondo 的物理图像加以解释？
• RQ4 disorder 的存在如何影响超导 dome 和金属-绝缘体转变在相图中的位置与形状？
• RQ5 在‘纯净’铜氧化物（如 YBCO）中，内在 disorder 的作用是什么？它如何影响对内在电子相的可及性？

主要发现

• 此前被解释为金属-绝缘体转变的 YBCO 中低温电阻率异常上升，实际上是由电子辐照引起的 disorder 所致，而非内在电子不稳定性。
• 在低缺陷浓度下，电阻率异常上升遵循类似 Kondo 的对数发散行为（ρ(T) ∼ −log T），表明其与强电子关联相关的非弹性散射过程有关。
• 电阻率异常上升的幅度强烈依赖于 disorder 的形貌：纳米尺度非均匀性产生的异常上升斜率比点缺陷更陡。
• 辐照 YBCO 中观测到的电阻率行为与‘纯净’的低温超导铜氧化物（如 LSCO、Bi2201）一致，表明存在一种普遍的 disorder 驱动机制。
• 某一铜氧化物家族的最优 Tc 是其内在 disorder 水平的可靠代理，从而可将其置于统一的三维相图中。
• 本研究结论认为，内在物理性质——尤其是欠掺杂赝隙区——仅在高度有序的化合物（如 YBCO 7 或 YBCO 6.6）中可被访问，而无法在高度 disorder 的样品中实现。