Universal sheet resistance and revised phase diagram of the cuprate high-temperature superconductors

Neven Barišić, Mun K. Chan, Yuan Li, Guichuan Yu, Xudong Zhao, Martin Dressel, Ana Smontara, and Martin Greven

Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 110, 12235-12240 (2013)
 

Visokotemperaturni supravodiči predstavljaju jedno od najistraživanijih područja fizike kondenzirane materije. Otkriveni su u familiji bakrenih oksida pred četvrt stoljeća, s temperaturom prijelaza koja je u međuvremenu narasla do visokih vrijednosti (~150 K), no s pojavom supravodljivosti koja se još uvijek se ne razumije. U proteklom vremenu bezbroj puta je istaknuto da ključ za razumijevanje leži u enigmatskom metalnom stanju iz kojeg se hlađenjem razvija supravodljivost. To metalno stanje je karakterizirano osobitim fizikalnim svojstvima, poput fenomena pseudogap-a i linearne temperaturne ovisnosti električne otpornosti. Postoji više od 50 kupratnih supravodiča s različitim kristalnim strukturama, učincima nereda i fazama u međusobnom natjecanju. Ogromna količina eksperimentalnih podataka opterećena je ne-univerzalnim rezultatima ovisnim o specifičnostima pojedinog materijala, što zamućuje razumijevanje prave prirode visokotemperaturnih supravodiča. Za zajednicu teoretičara fizike kondenzirane materije istraživanje neobičnog metalnog stanja predstavlja također poseban izazov, u kojem sudjeluje gotovo tucet dobitnika Nobelove nagrade.

Novi rezultati istraživanja metalnog stanje kuprata kolege Nevena Barišića i suradnika su izrazito jednostavni ali istovremeni nose i duboke poruke. Autori su proučavali visokokvalitetne monokristale Hg1201, dokazivo najpoželjnijeg kupratnog supravodiču za eksperimentalno istraživanje zbog kristalne strukture visoke simetrije i visoke temperature supravodljivog prijelaza.

Uz dobro poznati linearni režim otpornosti na višim temperaturama autori prvo pokazuju da modelni kuprat Hg1201 odlikuje kvadratična temperaturnu ovisnost Fermijeve tekućine na nižim temperaturama. Drugim riječima, eksperimenti pokazuju da čim se otvaranjem pseudogapa spektralna težina kvazičestica preseli iz anti-čvornih (anti nodal) dijelova Fermijeve površine, supravodljivo stanje izranja iz stanja koje pokazuje, duž čvornih područja, metalno i zapravo konvencionalno ponašanje.

Kao drugi glavni doprinos autori su, motivirani njihovim mjerenjima otpornosti Hg1201, kombinirali vlastite rezultate s objavljenim rezultatima za tri strukturno kompleksnija kuprata, nalazeći univerzalnu vrijednost otpornosti po bakar-kisik ravnini (ravninski otpor) i to kroz najveći dio faznog dijagrama temperatura-koncentracija dopiranja (slika).

Konačno, Neven Barišić i suradnici pokazuju da je ovisnost ravninske otpornosti o dopiranju izrazito jednostavna, kako u linearnom tako i u kvadratičnom temperaturnom režimu, navodeći ih da predlože ne-intuitivni scenarij: čak i izvan pseudogap režima (na visokim temperaturama ili za visoku koncentraciju šupljina) samo stanja blizu čvorova doprinose ravninskom transportu. Isto tako, čini se da bi duboko unutar pseudogap režima, u blizini antiferomagnetske-izolatorske pod-dopirane faze, kuprati efektivno mogli predstavljati čvorne (nodalne) Fermijeve tekućine. Ovaj novi uvid ima za posljedicu potrebu dramatične promjene paradigme faznog dijagrama kuprata.

Navedene nove spoznaje već su potaknule uzbudljivu suradnju Nevena Barišića i suradnika sa grupom Prof. Dirk van Der Marel-a. Mjerenjima optičke vodljivosti kvadratična frekventna ovisnost Fermijeve tekućine i skaliranja temperatura-frekvencija dobivena je za Hg1201 uzorke koji inače pokazuju čistu ρ∝T2 ovisnost u mjerenjima dc transporta. Time je neovisnom eksperimentalnom tehnikom potvrđen originalni rezultat Nevena Barišića i suradnika što je objavljeno u zasebnoj publikaciji objavljenoj također u časopisu PNAS (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113 (2013) , 15; 5774-5778) s Nevenom Barišićem kao jednim od koautora.