压力和无序对A2B2CaCunO2n+4+δ(A=Bi,Tl;B=Sr,Ba)超导体超导电性的影响

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铜氧化物超导体的发现是二十世纪凝聚态物理领域的重要科学发现之一。其超导电性一般在特定的掺杂区域出现,并且往往伴随着自旋和电荷条纹相、赝能隙、自旋玻璃态、电荷有序、反铁磁和电荷密度波等竞争序。能否寻找到一个普适的原理来描述超导电性跟这些竞争序之间的关系是当前凝聚态领域研究的热点问题之一。根据实验经验探寻超导电性跟这些竞争序之间的关系也为寻找新型超导材料提供了机会。由阳离子替代产生的无序对超导电性有着重要的影响。但阳离子替代产生的无序往往伴随着化学分布不均匀、相分离等,这些因素使得我们不能清晰的确定无序与超导电性之间的关系。因此,无序是如何影响铜氧化物超导体的物理性质以及其和超导电性之间的关系还不清楚。寻找一个清洁的变量在固定掺杂浓度下来调整和控制超导电性是非常有意义的。压力通过改变晶格之间的距离但不引入其它杂质来改变物质的电子结构进而对物质性质产生影响,被认为是一种清洁的独立的物理学参量,已经成为了研究铜氧化物超导体性质的一种有效方法。目前的研究结果表明由压力所引起的无序、相变/相分离等对超导电性有着非常重要的影响。但这些工作并不系统,且无序、相变/相分离、压力效应与超导电性之间的关系并不明确,所以系统性的研究工作有助于我们理解这些因素跟超导电性之间的关系可以为探寻超导机理积累一定的线索。铊系和铋系铜氧化物超导体在常温常压下存在无序。但是到目前为止铋系和铊系在高压下是否会诱导无序,无序跟压力效应对超导电性的影响仍然不是很清晰。在本文中,我们通过高压同步辐射X射线衍射和拉曼光谱研究了欠掺杂和近最优掺杂铋系双层、近最优掺杂铊系双层和三层材料高压下结构的性质和振动模式,并通过磁测量技术研究了这些样品的超导转变温度随压力的变化。得到的主要结论如下:(1)对于近最优掺杂Tl2Ba2CaCu2O8+?,高压同步辐射X射线衍射和拉曼数据分析表明当压力大于9GPa时出现了压力诱导的无序。高压下的交流磁化率测量结果表明超导转变温度(超导转变温度)先随压力的增加而升高,在7GPa达到饱和,进一步增大压力,超导转变温度开始下降。综合考虑压力效应和无序,我们认为这种超导转变温度随压力变化的“抛物线”行为是由压力效应跟压力诱导的无序共同决定的。(2)对于近最优掺杂Tl2Ba2Ca2Cu3O10+?,高压交流磁化率的测量表明超导转变温度随压力的增加开始增加,在8GPa达到饱和。但随压力的进一步增加,超导转变温度并没有单调下降,而是在15GPa左右再一次增强,此后超导转变温度随压力的增加开始单调减小。这种奇异的行为我们认为是在8-15GPa的压力范围内,内层铜氧面激活并跟外层铜氧面共同作用导致的。高压拉曼光谱也观测到在大致相同的压力范围内,在波数400-500cm-1和200-250cm-1范围内有新振动模式出现。这可能是内层铜氧面激活的一种表现。同时高压拉曼光谱和同步辐射X射线衍射数据分析表明在17GPa以后开始出现了压力诱导的无序。综合考虑以上因素,我们认为样品Tl2Ba2Ca2Cu3O10+?的超导转变温度在8-15GPa的压力范围内表现的奇异行为是由于内层铜氧面激活跟外层铜氧面共同作用的结果。此后超导转变温度随压力的增加单调降低也包含了压力诱导的无序的贡献。(3)对于欠掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+?,高压交流磁化率测量表明在17.5GPa时超导转变温度达到最大值73K,此后超导转变温度随压力的增加开始单调下降。高压同步辐射X射线衍射研究表明其在17.3GPa结构开始坍塌,23GPa结构完全坍塌。微应力和2c/(a+b)在20GPa以后出现异常的变化行为,并且拉曼振动模式的半高宽也突然变宽,这些行为表明压力诱导的无序开始出现。综合考虑,超导转变温度随压力的变化为“抛物线”行为是由压力效应、压力诱导的无序和结构坍塌共同决定的。(4)对于近最优掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+?,高压交流磁化率测量表明在10GPa时超导转变温度达到最大值102K,此后超导转变温度随压力的增加开始单调下降。高压同步辐射X射线衍射研究表明其在10GPa压力诱导的无序开始出现。综合考虑,超导转变温度随压力的变化为“抛物线”行为是由压力效应跟压力诱导的无序共同决定的。
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