铜氧化物基陶瓷中令人惊讶的电子紊乱

铜氧化物基陶瓷中令人惊讶的电子紊乱

铜酸盐是一类铜氧化物陶瓷,在一个扁平的正方形晶格中共享铜和氧原子的一个共同组成块,研究了它们在100开尔文以上的记录高温下的超导能力。然而,在原始状态下,它们是一种特殊的绝缘体(一种不易导电的材料),被称为莫特绝缘体。

图片说明:麻省理工学院的研究人员在超薄氧化铜陶瓷超导体上进行的实验显示了一种意想不到的无序(或“玻璃状”)电子排列,称为“维格纳玻璃”。左边的“傅立叶空间”或“动量空间”显示了衍射数据,证明了电荷涟漪在任何方向,而右边的图像显示电子在“真实空间”中的随机位置。

当电荷载体(电子或缺少电子,称为“空穴”)在一个称为掺杂的过程中被添加到绝缘体上时,绝缘体可能会变成一种容易导电的金属,或者一种半导体,它可以根据环境导电。然而,由于电子之间的强相互作用,铜的行为既不像正常的绝缘体,也不像正常的金属。为了避免由于这些相互作用而产生的巨大能量消耗,电子自发地以一种集体状态组织起来,其中每个粒子的运动都与其他粒子的运动联系在一起。

一个例子是超导态,当施加一个势能时,电子以零净摩擦移动,这是一个零电阻态,它是超导体的一个决定性特征。另一种集体电子状态是“电荷密度波”,这是由电子密度中的类波调制产生的术语,其中电子“冻结”成周期性和静态图案,同时阻碍电子流动。这种状态与超导状态是对立的,因此,研究和理解它很重要。在铜离子中,电荷密度波更倾向于与构成底层晶体结构的铜原子和氧原子的原子排对齐,根据材料和掺杂水平,每三到五个单元单元单元发生一次“波峰”。

麻省理工学院的研究人员利用一种称为共振X射线散射的技术来研究两种不同的铜酸盐化合物(钕铜氧化物(Nd2CuO4或NCO)和掺有额外电子的Praseodymium铜氧化物(Pr2CuO4或PCO)中的电荷密度波,这一发现出乎意料。他们的研究揭示了材料的一个阶段,在这个阶段,电子落入一个无序的或“玻璃状”的排列中,被称为“维格纳玻璃”。这个结果最近发表在《自然物理学》的一篇论文中。

共振X射线散射是最近发展起来的一种衍射技术,在这种技术中,结晶学是在电子上进行的,而不是像传统的X射线衍射那样只在原子上进行的。“在掺杂电子低浓度的限制下,我们观察到了一种全新的、意想不到的电子相形式,它既不是超流体,也不是晶体,而是具有维格纳玻璃的特性。在这个阶段,电子形成了一个集体状态,没有任何取向偏好,”该论文的资深作者、麻省理工学院物理助理教授RiccardoComin说。他补充说,这种无定形的电子玻璃在这个材料家族中是史无前例的。

这种现象只出现在电子掺杂的狭小窗口中。“有趣的是,这种奇特的新状态只存在于这种材料的电子相图的一小部分区域,当更多的电子被掺杂在[氧化铜]平面中时,一种更传统的电子晶体被恢复,其波纹与下面的原子晶格的晶体学轴对齐,”该论文的作者Min Gu Kang说。主要作者,解释说。

麻省理工学院的团队,包括Comin、研究生Kang和PostDoc Jonathan Pelliciari,设计了这个项目并领导了大部分实验。他们的研究是由世界各地不同机构和设施的研究人员贡献的。共振X射线散射测量是在多个同步加速器设备上进行的,这些设备包括德国的柏林电子储存环、加拿大萨斯喀彻温省萨斯卡通市的加拿大光源以及加利福尼亚州伯克利市的先进光源。氧化铜薄膜样品在日本NTT基础研究实验室进行生长。理论分析是由印度科学院的研究人员开发的。

Comin指出,所提出的理论解释了电子带结构在控制周期间隔和缺乏密度波取向偏好方面的作用,这是掺杂水平在这种材料中的函数。“我们的理论表明,这些电子波纹最初是以不规则形状形成的,很可能是在材料中的缺陷或杂质周围形成的,”Comin说。当载流子的密度增加时,电子设法找到一种更为有序的排列,使系统的总能量最小化,从而恢复所有氧化铜超导体系列中普遍观察到的更为常规的电荷密度波。

“里卡多对NCO和PCO的研究结果让我大吃一惊,”伊利诺伊大学香槟分校福克斯家族工程教授PeterAbbamonte说,他开发了共振软X射线散射技术。注意到十多年来,铜离子中的电荷密度波(CDW)阶一直是该领域的中心,没有参与这项研究的Abbamonte解释说,先前的理解是CDW阶固定在晶体晶格上,这意味着电荷密度波必须指向两个垂直方向中的任意一个。离子,但不在两者之间。他指出,这种传统的智慧建立在20年的共振散射和扫描隧道显微镜实验的基础上,这些实验一直都是这样的。

Comin对这些特殊的电子掺杂铜酸盐的研究表明,在玻璃态阶段,电荷顺序可以指向任何方向,与它所处的晶格无关。“更准确的说法是,cdw order参数并不像一直假设的那样(即,只取离散值,在本例中是2:x或y),而是更像x-y order参数(即,可以自由选择连续范围内的任何值,如x和y之间的所有方向,这里的情况就是这样),它只是弱的。受水晶的影响,”阿巴蒙特说。

Abbamonte补充道:“社区需要一段时间才能完全消化这种认识及其对理解CDW秩序的相关性的影响。”“很明显,里卡多的论文将导致对游戏规则的认真重新审视,从这个意义上说,这是该领域的一大进步。”

超导体在量子计算、无损能量传输、磁感应和医学诊断成像、等离子体和核聚变技术等变革性应用方面具有巨大的、很大程度上尚未开发的潜力。

“总的来说,我们的研究揭示了高温超导体中电荷载流子精美的量子特性的另一个表现形式,这最终源于电子相互作用的本质,”Comin说。这项工作所揭示的电子的详细行为,为高温超导电性如何由莫特绝缘体产生提供了新的见解,并承诺用非常鲜明的现象学在相图区域之间架起桥梁。

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