[论文解读] Observation of two distinct pairs fluctuation lifetimes and supercurrents in the pseudogap regime of cuprate junctions

G. Koren, Patrick A. Lee|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Sep 6, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究利用具有两种不同临界温度的c轴约瑟夫森结，探究铜氧化物结在赝能隙区的成对涨落。通过在面内磁场下测量电导谱，作者识别出两种不同的成对涨落寿命——短寿命与长寿命——其持续时间可延伸至较高Tc，表明存在预形成的成对态或涨落的成 pair 密度波，其中长寿命组分对磁场弱依赖，而短寿命组分几乎与磁场无关。

ABSTRACT

Pairs fluctuation supercurrents and inverse lifetimes were measured on epitaxial c-axis junctions of the cuprates in the pseudogap regime, with a $PrBa_2Cu_3O_{7-δ}$ barrier sandwiched in between two $YBa_2Cu_3O_{7-δ}$ or doped $YBa_2Cu_3O_y$ electrodes, with or without magnetic fields parallel to the a-b planes. All junctions had a $ m T_c(high)\approx 85-90$ K and a $ m T_c(low)\approx 50-55$ K electrodes, allowing us to study pairs fluctuation supercurrents and inverse life times in between these two temperatures. In junctions with a pseudogap electrode under zero field, an excesss current due to pair fluctuations was observed which persisted at temperatures above $ m T_c(low)$, in the pseudogap regime, and up to about $ m T_c(high)$. No such excess current was observed in junctions without a pseudo-gap in the electrode. The measured conductance spectra at temperatures above $ m T_c(low)$ were fitted using a modified fluctuations model by Scalapino [Phys. Rev. Lett. extbf{24}, 1052(1970)] of a junction with a serial resistance. We found that in the pseudo-gap regime, the conductance vs voltage consists of a narrow peak sitting on top of a very broad peak. This yielded two distinct pairs fluctuation lifetimes in the pseudogap electrode which differ by an order of magnitude up to about $ m T_c(high)$. Under in-plane fields, these two lifetime values remain separated in two distinct groups, which varied with increasing field moderately. We also found that detection of Amperian pairing [Phys. Rev. X extbf{4}, 031017 (2014)] in our cuprate junctions is not feasible, due to Josephson vortices penetration into the superconducting electrodes which drove the necessary field above the depairing field.

研究动机与目标

• 探究高温铜氧化物赝能隙区超导成对涨落的本质。
• 确定预形成成对态或竞争序如成对密度波（PDW）是否对赝能隙有贡献。
• 测量具有两种不同Tc电极的c轴结中的涨落寿命与超电流。
• 评估通过磁场调制在隧道结中探测Amperean配对的可行性。

提出的方法

• 在YBa2Cu3Oy电极之间以PrBa2Cu3O7−δ（PrBCO）为隧道障，制备外延c轴结，其中一电极Tc ≈ 85–90 K，另一电极Tc ≈ 50–55 K。
• 在零场及面内磁场（最高数特斯拉）下进行低温输运测量（电流-电压特性）。
• 采用Scalapino（1970）的改进涨落模型并引入串联电阻，通过假设窄峰与宽峰的叠加来拟合电导谱。
• 通过将电导谱拟合为两个洛伦兹峰之和（一个窄峰，对应短寿命成对态；一个宽峰，对应长寿命成对态），提取涨落寿命（Γ⁻¹）。
• 对补充材料中的公式（9）进行迭代拟合，以优化两个涨落组分的参数。
• 将结果与PDW配对的理论预测进行比较，并评估通过磁场调制导电峰探测Amperean配对的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 成对涨落在赝能隙区是否在Tc(low)以上持续存在，且能否产生可测量的超电流？
• RQ2 赝能隙态中是否存在两种不同的涨落寿命，且其是否对应于不同的配对机制？
• RQ3 面内磁场如何影响两个涨落组分，这对其相干长度与动量结构有何含义？
• RQ4 能否通过磁场调制在这些结中探测到Amperean（Amperean配对）的特征？
• RQ5 在电导谱中观测到的两种不同涨落寿命的微观起源是什么？

主要发现

• 在具有赝能隙电极的结中，于Tc(low)以上直至Tc(high) ≈ 85–90 K的温度范围内，观测到由成对涨落引起的超额电流，而在无赝能隙电极的结中未观测到此现象。
• 在Tc(low)以上的电导谱中，呈现一个窄峰叠加在极宽峰之上，表明存在两种不同的成对涨落寿命，其时间尺度相差约一个数量级。
• 宽峰的倒寿命（Γ₁⁻¹）较长，且随面内磁场增加仅发生微弱变化；而窄峰的倒寿命（Γ₂⁻¹）较短，且几乎与磁场无关。
• 长寿命涨落组分（Γ₁⁻¹）表现出微弱的磁场依赖性，暗示其相干长度较大；而短寿命组分（Γ₂⁻¹）几乎对磁场不敏感，可能表明其相干长度较短。
• 在磁场作用下，两个涨落组分保持分离，Γ₂与A₂（振幅）几乎恒定，表明两种涨落模式具有稳健的分离性。
• 通过磁场调制导电峰探测Amperean配对的可行性被排除，因为所需磁场强度（数千特斯拉）超过破坏配对的临界场，实验不可行。