[论文解读] Unconventional short-range structural fluctuations in cuprate high-$T_c$ superconductors

Damjan Pelc, R. J. Spieker+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用中子散射和X射线非弹性散射，揭示了铜氧化物高温超导体La2-xSrxCuO4和Tl2Ba2CuO6+δ中普遍存在的、非传统的短程结构涨落。尽管两种材料的无序效应和Tc值各不相同，这些涨落在广泛的掺杂和温度范围内表现出稳健且简单的标度行为，表明其起源于本征纳米尺度非均匀性，可能与非传统超导性有关。

ABSTRACT

The interplay between structural and electronic degrees of freedom in complex materials is the subject of extensive debate in physics and materials science. Particularly interesting questions pertain to the nature and extent of pre-transitional short-range order in diverse systems ranging from shape-memory alloys to unconventional superconductors, and how this microstructure affects macroscopic properties. Here we use neutron and X-ray diffuse scattering to uncover universal structural fluctuations in La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$ and Tl$_2$Ba$_2$CuO$_{6+δ}$, two cuprate superconductors with distinct point disorder effects and optimal superconducting transition temperatures. The fluctuations are present in wide doping and temperature ranges, including compositions that maintain high average structural symmetry, and they exhibit unusual, yet simple scaling behavior. The scaling regime is robust and universal, similar to the well-known critical fluctuations close to second-order phase transitions, but with a distinctly different physical origin. We relate this behavior to pre-transitional phenomena in a broad class of systems with structural and magnetic transitions, and propose an explanation based on rare structural fluctuations caused by intrinsic nanoscale inhomogeneity. We also uncover parallels with superconducting fluctuations, which indicates that the underlying inhomogeneity plays an important role in cuprate physics.

研究动机与目标

• 研究不同无序效应和Tc值的铜氧化物高温超导体中短程结构涨落的性质及其普遍性。
• 确定这些涨落在具有高平均结构对称性的组分中是否持续存在，以及其在掺杂和温度范围内的标度行为。
• 探讨这些涨落的物理起源，及其与预转变现象和超导涨落的潜在关联。
• 评估本征纳米尺度非均匀性在塑造铜氧化物宏观电子和结构性质中的作用。

提出的方法

• 采用中子和X射线非弹性散射技术，探测La2-xSrxCuO4和Tl2Ba2CuO6+δ中的短程结构关联。
• 在广泛的掺杂和温度范围内测量非弹性散射强度，以识别标度行为。
• 分析标度区域，将其与二级相变附近的传统临界涨落区分开。
• 将结构涨落与已知的超导涨落进行比较，识别其相似性及潜在相互作用。
• 通过群论分析评估平均结构对称性在维持观测到的涨落中的作用。
• 应用数据坍缩技术，检验标度行为的普遍性和稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有高平均结构对称性和显著无序效应的铜氧化物中，短程结构涨落是否仍然存在？
• RQ2 这些涨落的标度行为是什么？其与二级相变附近临界涨落有何不同？
• RQ3 观测到的涨落是否可归因于本征纳米尺度非均匀性，而非长程有序或无序？
• RQ4 这些结构涨落与预转变现象及超导涨落之间存在何种关联？
• RQ5 在具有不同最优Tc和点缺陷特性的不同铜氧化物系列中，标度行为是否具有普遍性？

主要发现

• 在La2-xSrxCuO4和Tl2Ba2CuO6+δ中，即使在平均结构对称性较高的组分中，也观察到了跨广泛掺杂和温度范围的非传统短程结构涨落。
• 这些涨落在尽管存在点缺陷差异和最优Tc不同的情况下，仍表现出稳健且简单的普遍标度行为。
• 标度区域类似于二级相变附近的临界涨落，但其物理起源不同，不依赖于长程有序或对称性破缺。
• 这些涨落归因于由本征纳米尺度非均匀性驱动的稀有结构涨落，暗示其具有共同的微观起源。
• 结构涨落与超导涨落之间存在强烈相似性，表明铜氧化物物理中存在共同的非均匀性机制。
• 研究结果表明，纳米尺度非均匀性在调控高温超导体宏观电子性质中起着根本作用，可能影响超导配对机制。