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    北京同步輻射4W2高壓實驗站助力高溫超導體研究取得新進展——銅氧化物超導體高壓下的超導-絕緣體相變
    2022-03-03|文章來源:多學科中心 |【
     

      對固體施加一個壓力,晶格常數會變小,由此可增加能帶寬度,把一個絕緣體轉變為導體。這是高壓誘導的絕緣體向導體的轉變,是固體材料常見的物理現象,被稱之為Wilson轉變。把一個金屬甚至超導體通過壓力,在不改變電子的價鍵特性的前提下轉變為絕緣體是一件非常困難的事。但這個幾乎不可能發生的物理現象最近被發現了。

      日前,該現象由中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室孫力玲研究員團隊與中國科學院高能物理研究所同步輻射裝置4W2高壓實驗站李延春副研究員、宮宇助理研究員合作,利用中國科學院高能物理研究所同步輻射裝置4W2高壓實驗站在國內率先建立的高壓-低溫X射線衍射(XRD)實驗裝置,通過高壓研究手段對Bi2212銅氧化物超導體開展研究的過程首次發現。研究團隊采用獨立發展的高壓原位電阻-磁化率一體化測量技術對這類超導體進行了系統的研究,發現欠摻雜、最佳摻雜和過摻雜Bi2212銅氧化物超導體在較低的壓力下超導轉變溫度(Tc)升高到一定值后開始單調下降直至被完全抑制,隨之系統并沒有轉變成人們通常預期的金屬態,而是令人意外的進入了一個類絕緣體態,超導態與這種絕緣體態通過量子相變點相連接。進一步的實驗結果表明,上述壓力誘導的超導-類絕緣態量子相變不僅在每個晶胞具有兩層CuO2面的Bi2212系統中出現,而且在每個晶胞具有一層和三層CuO2面的Bi2201和Bi2223系統中也存在。這是在銅氧化物高溫超導體中首次觀測到壓力導致的超導-絕緣體量子相變現象。這一新現象的發現,對現有的固體理論是一個挑戰,為建立正確的關聯電子理論框架提供了新的研究課題。

      研究表明在上述量子相變發生的壓力臨界點附近,沒有出現壓力誘發的結構相變,在實驗上證實了所發現的超導-類絕緣體相變的不是源于結構相變,而是電子間的相互作用。

      本研究是國內首次利用高壓-低溫原位XRD射線測量裝置對高溫超導體開展的工作,表明高壓線站的研究能力有了新的拓展。

      該項研究以“Quantum phase transition from superconducting to insulating-like states in a pressurized cuprate superconductor”為題,2022年2月17日在線發表在Nature Physics上。

      該項研究得到了科技部、基金委和中科院B類先導專項等支持。

      相關工作鏈接:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01513-2

    1 Bi2Sr2CaCu2O8+d銅氧化物超導體在不同壓力下面內電阻(R)-溫度(T)依賴關系。圖(a)和圖(d)為欠摻雜(UD)樣品的R-T曲線; (b)和圖(e)為最佳摻雜(OP)樣品的R-T曲線; e中兩個臺階式的轉變為2D-3D的超導躍變【Nature Physics 16(2020)295; (c)和圖(f)為過摻雜(OD)樣品的R-T曲線。

    2 Bi2Sr2CaCu2O8+d銅氧化物超導體的壓力-溫度歸一化相圖。 紅色區域為超導態, 藍紫色區域為類絕緣態。

     

    3 過摻雜Bi2Sr2CaCu2O8+d銅氧化物超導體高壓-低溫XRD實驗結果。實驗中,為了保持與電子測量相圖的壓力環境, 采用NaCl作為傳壓介質。圖a為不同壓力下的XRD衍射數據,樣品從0.9 GPa43 GPa均保持常壓晶體結構。衍射峰中 *和“D”分別為傳壓介質NaCl在不同壓力下的B1相和B2相的衍射峰。圖b和圖c 為晶格常數和體積隨壓力變化的規律。


     
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