铜氧化物高温超导体中的电子有序态VIP免费

铜氧化物高温超导体中的电子有序态铜氧化物高温超导体的发现至今已经有30年的历史，然而其超导态形成的微观机制依然有待解决，这成为现代凝聚态物理学中最重要、也是最具有挑战性的问题之一。高温超导领域中一个较为普遍接受的观点是，铜氧化物超导体是掺杂莫特绝缘体，是典型的强关联电子体系。在未掺杂的母体中，CuO2面中的铜离子为二价(Cu2+，3d9电子态)，因此在每个Cu晶格上有一个未成对的d电子。从能带论的观点来看，这将形成一个半填满的能带，因此应该是金属。然而，由于同一个格点上双占据的d电子之间强烈的库仑排斥作用，这个母体成为莫特绝缘体，并由于超交换作用而形成反铁磁长程有序态。随着化学掺杂引入的载流子浓度增加，反铁磁长程序被逐渐压制，铜氧化物体系会发生一个绝缘态到金属态的转变，并进而产生超导态。此后随着掺杂浓度继续升高，其超导转变温度逐渐达到一个最大值(对应于最佳掺杂)，然后过掺杂区又会下降直至最终消失。电子之间的强关联性在铜氧化物的物理中起到至关重要的作用，特别是在欠掺杂区域的赝能隙态。近年来，除了反铁磁莫特绝缘相和超导相这两个确定的电子态，高温超导体相图中其他几种新奇的有序态渐次为各种实验手段所发现。例如在相图中的欠掺杂区域，一系列实验表明电子可能形成自旋、电荷、或者库珀对的有序态或者涨落。这些有序态主要发生在母体反铁磁长程序逐渐被压制、高温超导态逐渐增强的过程中，大多对应于赝能隙态产生的温度以下的区域。关于这些有序态的起源仍然没有定论，人们提出了各种各样的可能性，例如费米面叠套(nesting)引起的失稳、条纹序、自旋密度波态等等。理论研究表明，这些来自于不同自由度的有序态，包括电荷密度波(CDW)和库珀对密度波(PDW)，与高温超导相是紧密纠缠在一起的。研究清楚这些有序态的起源及其与赝能隙态和超导态的关联，对于我们理解掺杂莫特绝缘体中高温超导相的产生机制，将会有重要的意义。接下来，我们主要从实验的角度简单介绍高温超导体中的电荷有序态和库珀对密度波的研究历史与现状。2电荷有序态是指在铜氧化物材料中实验观测到的电荷密度在空间上出现的一种有序分布，通常其电荷密度调制沿着晶格方向(铜—铜键的方向)。电荷序普遍存在于各种不同的铜氧化物材料中。早在1995年J.M.Tranquada等利用中子散射实验发现在La2-xMxCuO4(La-214，M=Ba，Sr)体系中，空穴掺杂浓度大约为p≈1/8时会有周期为4a0(a0为铜—铜格点的间距)的条纹状电荷密度调制，并且他们认为这可能和体系中铜位的自旋调制有关。此后又有一系列的体测量实验，包括X射线散射谱(XRS)、核磁共振(NMR)等等，观测到了类似的电荷序。2002年J.E.Hoffman等人利用扫描隧道显微镜(STM)首次在铜氧化物超导体的磁通涡旋中观测到周期为4a0的棋盘格状的电荷密度调制，两年后这一发现被T.Hanaguri等人在未加外磁场的样品上所证实。此后一系列的扫描隧道显微镜实验在Bi2Sr2CuO6+δ(Bi-2201)、Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi-2212)、Na掺杂的Ca2CuO2Cl2(CCOC)等体系中清楚地观测到了棋盘格状的电荷序。近几年来，随着实验手段空间分辨率的提高，人们可以更进一步细致地观察电荷序一个元胞的内部结构，发现它有C4对称性的破坏，对应于所谓的电子液晶相。对于电荷序性质的探究，为我们理解它的起源及其与超导态的关系，提供了重要的线索。2.1电荷序的核磁共振和X射线散射研究除了早期人们利用中子散射以及X射线散射谱在La-214体系中空穴浓度约1/8时发现周期为4a0的条纹状电荷密度调制，近年来核磁共振实验也在铜氧化物材料中发现了电荷序。2011年T.Wu等人在p=0.108的YBa2Cu3O6.54(YBCO)中发现，当沿c轴施加很强的磁场(28.5T)时，在一定温度以下核磁共振的Cu2F峰会出现劈裂(图1(a))。在Ortho-II型的YBCO结构中，有两种铜—铜链，一种含氧的记为Cu2F，一种不含氧的记为Cu2E，两种铜链相间排列。Cu2F共振峰的劈裂意味着这种铜位上的原子晶格环境发生了改变，与之相符合的电荷密度分布有两种。一种是Cu2E上没有电荷调制，而Cu2F上有周期为2a0或者4a0的沿着铜链的调制，然而这种电荷序从未在任何其他实验中被观测到。另一种比较可能的是沿垂直铜链的方向有周...