[论文解读] Effect of disorder outside the CuO$_{2}$ planes on $T_{c}$ of copper oxide superconductors
本研究探讨了在单层铜氧化物Bi2201和LSCO中，靠近CuO₂平面的层内阳离子无序对超导转变温度（Tc）的影响。尽管这些无序作为弱散射体对电阻率影响甚微，却导致Tc显著降低，表明存在一种超越传统BCS理论的新机制，可能与邻近跃迁积分t′的局域调制及其导致的超流密度降低有关。
The effect of disorder on the superconducting transition temperature $T_{c}$ of cuprate superconductors is examined. Disorder is introduced into the cation sites in the plane adjacent to the CuO$_{2}$ planes of two single-layer systems, Bi$_{2.0}$Sr$_{1.6}$Ln$_{0.4}$CuO$_{6+δ}$ and La$_{1.85-y}$Nd$_{y}$Sr$_{0.15}$CuO$_{4}$. Disorder is controlled by changing rare earth (Ln) ions with different ionic radius in the former, and by varying the Nd content in the latter with the doped carrier density kept constant. We show that this type of disorder works as weak scatterers in contrast to the in-plane disorder produced by Zn, but remarkably reduces $T_{c}$ suggesting novel effects of disorder on high-$T_{c}$ superconductivity.
研究动机与目标
- 研究邻近CuO₂平面的层内无序对高温超导体Tc的影响。
- 将平面外无序的影响与掺杂及平面内杂质（如Zn）的影响分离开来。
- 确定此类无序是否通过超越载流子浓度变化或磁性对破缺的机制影响Tc。
- 探讨晶格畸变、局域电子结构与超导性质之间的关联。
提出的方法
- 通过稀土离子（Ln = La, Nd, Eu, Gd）或Nd含量的替代，制备了具有可控无序的Bi2Sr1.6Ln0.4CuO6+δ（Ln-Bi2201）和La1.85-yNdySr0.15CuO4（Nd-LSCO）单晶样品。
- 通过霍尔系数测量确认所有样品中载流子密度保持恒定，其中Bi2201中固定Ln含量为0.4，Nd-LSCO中固定Sr含量为0.15。
- 使用电感耦合等离子体（ICP）光谱法验证化学计量比，并通过c轴晶格常数监测掺杂水平。
- 通过场冷dc磁化率测量Tc和迈斯纳信号，并通过碘量滴定法估算氧含量δ。
- 分析离子半径失配、晶格畸变与Tc抑制之间的关系，考虑其对t′跃迁积分的影响。
- 将实验测得的Tc抑制与包含局域晶格畸变及其对t′和超流密度ρs影响的理论模型进行关联。
实验结果
研究问题
- RQ1CuO₂平面邻近层中的阳离子无序如何影响单层铜氧化物中的Tc？
- RQ2所观测到的Tc抑制是由于磁性对破缺、空穴捕获，还是某种新型电子机制？
- RQ3能否通过包含平面外杂质弹性前向散射的常规d波BCS理论解释Tc抑制？
- RQ4局域晶格畸变（特别是次近邻跃迁积分t′的变化）在Tc抑制中起何种作用？
- RQ5Tc与t′/t比值之间是否存在相关性？无序如何调制该参数？
主要发现
- 在载流子密度恒定的条件下，随着邻近层中离子半径失配的增加，Tc显著下降：在Ln-Bi2201中，从La的38.5 K降至Gd的30.5 K。
- Tc抑制并非源于磁性对破缺，因为非磁性Eu引起的抑制程度大于磁性Nd，表明存在非磁性机制。
- 剩余电阻率保持较低，表明散射较弱，与强杂质散射不一致，但与弹性前向散射一致。
- 显著的Tc抑制无法通过包含前向散射的常规d波BCS理论解释，提示存在一种新型多体效应。
- 抑制效应与可能调制次近邻跃迁积分t′的局域晶格畸变相关，影响费米面的反节点区域。
- 迈斯纳信号的减弱与Tc抑制相关，表明超流密度ρs降低，与Uemura关系一致。
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