Resistenze del foglio dei film NBCO e YBCO in funzione della temperatura. La resistenza di foglio RΩ viene tracciata in funzione della temperatura per (A) campione UD60b (spessore:100 nm; depositato nelle stesse condizioni del campione UD60); (B) campione UD81 (spessore:50 nm); (C) campione OP90 (spessore:100 nm); (D) campione OD83 (spessore:50 nm). La temperatura critica Tc dei film è stata estratta dal massimo della derivata prima della caratteristica R(T) (riquadro nei quattro pannelli). La temperatura pseudogap T* è invece dedotta dall'allontanamento dal comportamento lineare R(T) ad alta temperatura, che è una firma della strana fase metallica dei cuprati (linea tratteggiata nei quattro pannelli). Per il campione OD83, la temperatura T* non è definita. Infatti, il campione è leggermente sovradrogato, come evidenziato dalla curvatura della caratteristica R(T) a temperatura più bassa, che è opposto rispetto a quello che caratterizza i film sottodosati. In questa fascia di doping, la temperatura desumibile dall'allontanamento dal comportamento lineare R(T) ad alta temperatura è la cosiddetta temperatura di coerenza Tcoh . Tcoh rappresenta una temperatura di crossover da uno stato metallico coerente a uno incoerente, osservato mediante spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aav1315
Le fluttuazioni della densità di carica sono osservate in tutte le famiglie di cuprati superconduttori ad alta temperatura critica (Tc). Sebbene si trovi costantemente nella regione sottodrogata del diagramma di stato a temperature relativamente basse, i fisici non sono chiari su come i substrati influenzino le proprietà insolite di questi sistemi. In un nuovo studio ora pubblicato su Scienza , R. Arpaia e collaboratori nei dipartimenti di microtecnologie e nanoscienze, il sincrotrone europeo, e fisica dei dispositivi quantistici in Italia, La Svezia e la Francia hanno utilizzato la diffusione risonante dei raggi X per determinare con attenzione le modulazioni della densità di carica nell'ossido di rame e bario di ittrio (YBa 2 Cu 3 oh 7– ) e ossido di rame al neodimio e bario (Nd 1+x Ba 2–x Cu 3 oh 7–ẟ ) per diversi livelli di doping. Il team di ricerca ha isolato le fluttuazioni di densità di carica dinamica a corto raggio (CDF) oltre alle onde di densità di carica quasi critiche (CDW) precedentemente note. I risultati sono rimasti ben al di sopra della temperatura pseudo-gap T*, che hanno caratterizzato da pochi millielettronvolt (meV) per diffondersi su un'ampia area del diagramma di fase.
I superconduttori cuprati ad alta temperatura (HTS) sono diversi dal paradigma liquido di Landau Fermi a causa della quasi bidimensionalità (2-D) della loro struttura a strati e della grande repulsione elettrone-elettrone. Durante il drogaggio ottimale e lo stato pseudo-gap (stati in cui concentrazioni di portatori di corrente inferiori a quelle ottimali determinano proprietà elettroniche anomale), L'ordine delle onde di densità di carica a corto e medio raggio può emergere per competere debolmente con la superconduttività. I fisici hanno prima sviluppato proposte teoriche di CDW e fluttuazioni di carica a bassa energia dopo aver scoperto per la prima volta HTS. Successivamente, hanno sviluppato prove sperimentali in materiali selettivi e in tutte le famiglie cuprate. I ricercatori avevano osservato l'ordine tridimensionale CDW (3-D CDW) a lungo raggio all'interno della cupola della superconduttività all'interno di campi magnetici elevati che indeboliscono la superconduttività o in campioni cresciuti epitassialmente (deposizione di uno strato cristallino su un substrato cristallino). I fisici attualmente dibattono sulla rilevanza di tali fluttuazioni di densità di carica (CDF) sullo stato normale non convenzionale e sullo stato superconduttore di HTS.
Scansione quasi elastica lungo la (H, 0) direzione per diversi film YBa2Cu3O7–d e Nd1+xBa2–xCu3O7–d con diversi drogaggi di ossigeno. L'intensità quasi elastica è stata determinata integrando gli spettri Cu L3 RIXS misurati a diversi q|| valori nell'intervallo di energia [–0,2 eV, +0.15 eV]. Le misurazioni sono state eseguite a diverse temperature sui seguenti campioni:(A) NBCO drogato in modo ottimale, p 0,17. (B) YBCO sottodrogato, p 0,14. (C) NBCO sottodrogato, p 0,11. (D) Isolante NBCO, p<0,05. Il riquadro in (C) mostra l'intensità di picco Ipeak rispetto a T–1 per i campioni OP90 (cerchi) e UD60 (quadrati). L'estrapolazione a T → ∞ fornisce una stima del fondo intrinseco del segnale (bgr). Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aav1315
Stabilire la misura in cui le modulazioni di densità di carica fluttuanti e statiche hanno contribuito al diagramma di fase nel presente lavoro; Arpaia et al. misurato le variabili in YBa 2 Cu 3 oh 7– (YBCO) e Nd 1+x Ba 2–x Cu 3 oh 7–ẟ (NBCO) in funzione del doping e della temperatura. Hanno scoperto la presenza di CDF (fluttuazioni della densità di carica) in un'ampia regione del diagramma di fase per rafforzare l'importanza del controllo della densità di carica, che ha determinato le proprietà allo stato normale dei cuprati. Le nuove scoperte erano coerenti con gli ordini a corto e medio raggio precedentemente osservati in campi magnetici elevati.
Durante gli esperimenti, Arpaia et al. scattering di raggi X anelastico risonante misurato (RIXS) su cinque film YBCO e NBCO (che includevano NBCO:OP90, UD60 e YBCO UD81) che coprono una vasta gamma di fasi di drogaggio con ossigeno. I ricercatori hanno trasferito il film dalla regione antiferromagnetica (AF) alla regione non drogata (UD) e drogata in modo ottimale (OP), fino alla regione leggermente sovradrogata. Gli scienziati hanno osservato quasi-elastico (perdita di energia vicina allo zero) degli spettri RIXS a diverse temperature per alcuni campioni. In contrasto, il campione antiferromagnetico (NBCO AF) non ha mostrato picchi sopra lo sfondo lineare. I ricercatori hanno riassunto i risultati dei raccordi per diversi campioni e hanno osservato specificamente due picchi a basse temperature; un picco ampio (BP) e un picco stretto (NP). Hanno osservato che la BP condivide una posizione simile con NP ma con una dipendenza dalla temperatura molto diversa e quasi costante. Di conseguenza, Arpaia et al. attribuito l'ampio picco a modulazioni di carica a brevissimo raggio come le fluttuazioni di densità di carica di interesse.
Due picchi distinti in corrispondenza dei dati NBCO UD60. (A) Scansione quasielastica misurata lungo (H, 0) sul campione UD60 a T =250 K (cerchi rossi). (B) Dopo aver sottratto lo sfondo lineare, data dalla scansione quasi elastica misurata lungo la diagonale della zona di Brillouin [quadrati aperti in (A)], un picco netto è ancora presente, che può essere integrato da un profilo lorenziano (linea tratteggiata). (C) Come (A), ma a T =60 K (cerchi viola). (D) Dopo aver sottratto lo sfondo lineare [quadrati aperti in (C)], i dati possono essere corredati dalla somma di due profili lorenziani (linea continua):uno più ampio (linea tratteggiata), simile a quello misurato a 250 K, e la seconda più stretta e più intensa (linea tratteggiata). (E) Lo schizzo 3D mostra le scansioni quasi elastiche misurate lungo H (cubi) e lungo K (sfere) a T =60 K sul campione UD60, insieme ai profili lorenziani utilizzati per adattarli. Un picco stretto (NP, superficie blu) emerge a qNP c =(0,325, 0) da un picco molto più ampio (BP, superficie rossa) centrato a qBP c =(0.295, 0). Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aav1315
Il team ha studiato ulteriormente l'energia associata all'ampio picco per comprendere il doppio carattere del fenomeno e il suo effetto sui CDF utilizzando strumenti ad alta risoluzione. Hanno misurato gli spettri RIXS su campioni specifici a temperature selezionate e al vettore d'onda dell'ampio picco massimo. A tutte le temperature, hanno notato che il picco principale è leggermente più ampio della risoluzione dello strumento (40 meV) con una componente anelastica più forte a temperatura più elevata. Hanno attribuito questo picco quasi elastico ai fononi (vibrazioni atomiche) a causa della diffusione elastica diffusa dalle imperfezioni della superficie del campione ea causa delle fluttuazioni di carica. Hanno osservato che il fenomeno è indipendente dalla temperatura o diminuisce con il raffreddamento.
Il team ha quindi utilizzato le informazioni per estrarre meglio il contributo della densità di carica. Dopo ulteriori interpretazioni teoriche dei risultati sperimentali, Arpaia et al. ha mostrato l'ampio picco risultante da CDF dinamici con puro carattere 2-D rispetto al singolo ossido di rame (CuO 2 ) piani—caratterizzati da un comportamento non critico. Hanno anche confermato la natura ultracorta del picco ampio. In contrasto, hanno attribuito il picco stretto a CDW quasi critici, che è apparso solo al di sotto della temperatura di inizio (T QC ). Tali CDW quasi-critici hanno poi gareggiato con la superconduttività dei cuprati.
Caratteristiche dei due picchi di modulazione della densità di carica. I grafici mostrano la dipendenza dalla temperatura dei parametri dei due profili Lorentziani utilizzati per descrivere i picchi quasi elastici dei campioni UD60 e OP90 (i quadrati si riferiscono al picco stretto, cerchi all'ampio picco). (A e B) Intensità. (C e D) FWHM. TQC è 175 K per il campione UD60 e 155 K per il campione OP90. T3D è 33 K per il campione UD60 e 24 K per il campione OP90. (E e F) Volume delle modulazioni di densità di carica. Il volume totale (triangoli), data dalla somma dei volumi dei due picchi, è dominato dall'ampio picco. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aav1315
Dopo aver raccolto i dati sperimentali, il team ha visualizzato lo scenario di un crossover continuo da CDF dinamici puri (fluttuazioni di densità di carica) ad alta temperatura e tutti i drogaggi a CDW (onda di densità di carica) quasi-critica al di sotto di T QC . Hanno quindi visualizzato un CDW 3D statico, che è tipicamente ostacolato in presenza di superconduttività nei materiali cuprati. Il lavoro ha mostrato che i CDF dinamici finora ignorati nei cuprati rappresentavano la maggior parte dell'iceberg del fenomeno CDW. I CDF dinamici permeano gran parte del diagramma di fase, dove la loro intensità di diffusione totale dominava a tutte le temperature. I CDF dinamici sperimentali non erano in concorrenza con la superconduttività, coerentemente con la proposta teorica.
Ordine di carica statica e dinamica nel diagramma di fase dei cuprati HTS. (A) Il diagramma di fase T-p dei cuprati è tipicamente contrassegnato dall'antiferromagnetico, pseudo gap, e superconduttrici (caratterizzate rispettivamente dalle temperature di insorgenza TN, T*, e Tc). I nostri risultati dimostrano che la maggior parte di queste regioni sono pervase da modulazioni di densità di carica di qualche tipo. Il picco stretto descrive i CDW, che si manifesta in una regione (azzurro pallido) al di sotto di TQC (croci). Questi CDW 2D sono quasi critici e sono precursori dei CDW 3D statici (regione blu). Anche se non possiamo accedere direttamente a questa cupola senza un campo magnetico, le temperature T3D (quadrati) che deduciamo dalla dipendenza T dell'NP FWHM concordano con quelle precedentemente determinate da esperimenti di NMR e hard x-ray scattering. Il picco ampio descrive le fluttuazioni della densità di carica a corto raggio (CDF), che dominano il diagramma di fase (regione rossa), coesistendo sia con i CDW 2D quasi critici che con la superconduttività, e persistendo anche al di sopra di T*. In contrasto, I CDF scompaiono nei campioni non drogati/antiferromagnetici (regione bianca), mentre la loro presenza tra p ~ 0,05 e p ~ 0,08 deve ancora essere determinata. Per valutare le energie caratteristiche w0 associate alla PA, abbiamo misurato gli spettri RIXS ad alta risoluzione a varie temperature sui campioni OP90 e UD60. (B) Componente quasi elastica degli spettri (dopo la sottrazione del contributo fononico) a T =90, 150, e 250K, misurato sul campione OP90 a q|| =(0,31, 0). (C e D) Gli spettri di differenza sperimentali 150 K–250 K e 90 K–150 K, presentato in (B), sono mostrati (sfere), insieme al calcolo teorico (aree piene). I dati concordano con la teoria, assumendo w0 ≈ 15 meV a 150 e 250 K e w0 ≈ 7 meV a 90 K [linee tratteggiate in (C) e (D)]. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aav1315
Inoltre, il debole accoppiamento del CuO 2 gli aerei nei materiali hanno portato a ordini CDW che mostravano un carattere 2-D contrassegnato. A causa delle forti fluttuazioni termodinamiche quantistiche, tali cuprati richiedevano solo un carattere veramente statico al di sotto di una temperatura alla quale si formava un ordine statico 3-D CDW (T 3-D ) . Per sopprimere la superconduttività dei cuprati YBCO e NBCO e ottenere CDW 3D statici, gli scienziati hanno quindi richiesto forti campi magnetici o campioni cresciuti epitassialmente. Il team di ricerca mira a testare altre famiglie di cuprati ed estendere le regioni doping per confermare l'applicabilità generale dello scenario CDF dinamico osservato nel presente lavoro.
In questo modo, Arpaia et al. ha presentato i risultati più intriganti del lavoro come l'abbondante presenza di un ampio picco causato da CDF dinamici, con piccole energie di pochi meV che si estendono su un ampio intervallo di quantità di moto. Il meccanismo di diffusione a bassa energia delle quasiparticelle osservato nello studio ha reso i cuprati un candidato interessante per produrre il fenomeno del liquido di Fermi. Le caratteristiche che sono state dimostrate sperimentalmente nel presente lavoro hanno finora definito le peculiarità più importanti dei superconduttori cuprati ad alta temperatura.
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