高温超导体结构不均匀性对其超导温度的影响

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超导现象一直是凝聚态物理领域的研究热点,但其机理并定论,一直困扰着广大物理工作者。新的理论研究提出,带状相的晶格不均匀性对超导转变温度有着显著的影响,然而其实验证实非常困难。

首先,带状相的X射线衍射峰与晶体固有调制结构的衍射峰完全重叠,难以分辨;这也是为什么多年的研究都未在实验上发现带状相的主要原因。其次,过去30年关于铜氧化物超导转变温度的研究主要依赖于化学掺杂的方法,同时改变系统的化学和晶格不均匀性以及载流子浓度,因此很难确定哪个参数在超导温度的变化中占主导地位。因此,当前仍然缺乏直接的实验证据来证明晶格不均匀性对超导温度的影响。

基于上述困难,北京高压科学研究中心丁阳研究员带领的研究团队采用多种同步辐射技术在Bi-2212(Bi2Sr2CaCu2O8+d)体系中寻找这种带状相。Bi2122是典型的铜氧化物高温超导体,目前已有非常多的研究成果发表,而且可以得到高质量的单晶。该团队进一步结合高压的方法,以这种纯粹的方式改变晶格的不均匀性而不引入任何其他的化学变化,从而能够准确研究晶格不均匀性和超导转变温度之间的关系。近日,这一工作在线发表。

图(1):单色亚微米X射线衍射发现带状相

起初,该团队尝试各种同步辐射技术,从高能衍射、反常散射到劳厄纳米成像,但均未检测到带状相。经过不懈努力的寻找,丁阳及其合作者最终通过单色纳米成像测量技术,在铜氧化物高温超导体Bi-2212体系中发现一个微米尺度的带状相。更有意思的是,在压力下,带状相形态的演化与拱形的超导转变温度变化密切相关。此外,X射线吸收研究表明,在CuO平面内,超导温度的增加与氧空穴的再分配有关;当氧空穴稳定后,超导转变温度开始减少。X射线辐照实验表明,辐射引起的纳米级氧空穴短程排序可以进一步降低超导转变温度,这表明最优的超导转变温度不仅受到了带状相形态的影响,也受到了氧空穴分布的影响。

图(2):带状相随压力的演化以及其跟超导转变温度之间的关系

丁阳研究员介绍说,“这是首次在实验上证实带状相的存在,并且发现其对超导转变温度有着非常重要的影响。这个发现为超导机理的研究指出了一条新的途径。我们也期待在更多超导体中发现类似的现象,为超导机理的研究提供更丰富的实验参考”。

此项研究近期发表于Journal of Physical Chemistry Letters,题为 Evolution of a Novel Ribbon Phase in Optimally Doped Bi2Sr2CaCu2O8+δ at High Pressure and Its Implication to HighTc Superconductivity。该系列研究的参与者来自于北京高压科学研究中心、卡耐基研究院、阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、陕西师范大学、阿拉巴马大学伯明翰分校、东京理工学院、国家同步辐射研究中心(新竹)、愛媛大学等。该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。

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