[论文解读] Fast vortices in the Cuprates? A vortex plasma model analysis of the THz conductivity and diamagnetism in La 2-x Sr x CuO 4

L. S. Bilbro, Rolando Valdés Aguilar+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用太赫兹时域光谱法研究了欠掺杂La2−xSrxCuO4薄膜在临界温度Tc以上的超导涨落，发现涨落特征仅在Tc附近约16 K范围内持续存在。涡旋-等离子体模型分析表明，若抗磁响应完全由涡旋引起，则其扩散常数必须异常大——超过Bardeen-Stephen理论预测的100倍以上，暗示涡旋行为可能具有非典型特性，或抗磁响应具有非超导起源。

ABSTRACT

The nature of the underdoped pseudogap regime of the high-temperature copper oxide superconductors has been a matter of long-term debate. On quite general grounds, we expect that, owing to their low superfluid densities and short correlation lengths, superconducting fluctuations will be significant for transport and thermodynamic properties in this part of the phase diagram. Although there is ample experimental evidence for such correlations, there has been disagreement about how high in temperature they may persist, their role in the phenomenology of the pseudogap and their significance for understanding high-temperature superconductivity. Here we use THz time-domain spectroscopy to probe the temporal fluctuations of superconductivity above the critical temperature (Tc) in La2−xSrxCuO4 (LSCO) thin films over a doping range that spans almost the entire superconducting dome (x=0.09–0.25). Signatures of the fluctuations persist in the conductivity in a comparatively narrow temperature range, at most 16 K above Tc. We compare our results with measurements of diamagnetism in a similarly doped crystals of LSCO and show through a vortex-plasma model that if the fluctuation diamagnetism solely originates in vortices, then they must necessarily exhibit an anomalously large vortex diffusion constant, which is more than two orders of magnitude larger than the Bardeen-Stephen estimate. This points to either the extremely unusual properties of vortices in the under-doped d-wave cuprates or a contribution to the diamagnetic response that is not superconducting in origin.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂La2−xSrxCuO4薄膜在Tc以上的超导涨落的持续性与本质。
• 确定赝能隙区域能量中观测到的抗磁响应是否源于涡旋或其他机制。
• 检验涡旋-等离子体模型在解释欠掺杂铜氧化物中太赫兹电导率与抗磁响应方面的有效性。
• 评估赝能隙区域能量中涡旋扩散常数是否超过Bardeen-Stephen预测值，以判断是否存在异常的涡旋动力学。
• 解决长期以来关于欠掺杂铜氧化物相图中抗磁性与涨落效应起源的争议。

提出的方法

• 采用太赫兹时域光谱法测量了在Tc以上、掺杂范围为x = 0.09–0.25的LSCO薄膜的复电导率。
• 基于涡旋-等离子体模型分析测得的太赫兹电导率，提取动态响应参数，包括涡旋扩散常数。
• 该模型假设抗磁响应源于涡旋涨落，涡旋运动由扩散常数D控制。
• 将Bardeen-Stephen理论预测的涡旋扩散常数与从数据中提取的值进行比较，以评估一致性。
• 利用类似掺杂浓度的单晶材料的抗磁响应数据，验证该模型在涨落区的适用性。
• 进行一致性检验，以判断观测到的抗磁响应是否可完全由涡旋涨落解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂LSCO中，通过太赫兹电导率测量，超导涨落在Tc以上能持续多长时间？
• RQ2 在赝能隙区域能否完全通过涡旋-等离子体模型中的涡旋涨落来解释观测到的抗磁响应？
• RQ3 解释抗磁响应所需的涡旋扩散常数大小为何值？与Bardeen-Stephen预测值相比如何？
• RQ4 观测值与预测值之间扩散常数的差异是否意味着存在非典型涡旋行为，或抗磁响应具有非超导起源？
• RQ5 涡旋涨落在欠掺杂铜氧化物区域能量中对太赫兹电导率的贡献程度如何？

主要发现

• 在欠掺杂LSCO中，超导涨落在太赫兹电导率中仅在Tc以上最多16 K的狭窄温度窗口内持续存在。
• 除非涡旋扩散常数超过Bardeen-Stephen估计值两个多数量级，否则无法仅通过涡旋涨落解释赝能隙区域能量中观测到的抗磁响应。
• 所需涡旋扩散常数估计值超过Bardeen-Stephen预测值的100倍，表明与标准涡旋动力学存在显著偏差。
• 该差异暗示，在欠掺杂d波铜氧化物中，涡旋可能具有高度异常的性质，或抗磁响应具有非超导起源。
• 研究结果挑战了赝能隙区域能量中涡旋行为的传统理解，提示需重新审视预配对态或竞争序的性质。
• 研究结果凸显了观测到的抗磁性与标准涡旋-等离子体模型之间的根本性不一致，表明欠掺杂铜氧化物中存在新物理机制。