（凝聚态物理专业论文）la2cuo4型超导体中的电荷有序及其超声衰减特性研究.pdf

摘要 i 摘要 高温超导体中的电荷条纹相是当前凝聚态领域的研究热点之一。所谓电荷条纹 相，是指在c u 0 2 平面内，电荷和自旋自发聚集形成的一维周期性调制结构，其中电 荷条纹作为自旋反相畴壁存在。大量的实验证据表明在铜氧化物高温超导体中，电荷 条纹相对高温超导电性和正常态性质都起着至关重要的作用。 在本论文中，我们以输运行为和超声衰减特性为主要手段研究了l a 系超导体中 电荷条纹与结构之间的相互作用以及磁场对电荷条纹的影响，并进一步分析讨论了 电荷条纹与超导电性之间的关系。此外，我们还研究了新型钴氧化物超导体的母 体n a 。c 0 0 2 体系的r a m a n 散射光谱，澄清了国际上对该体系r a m a n 峰的错误指认。论 文内容共分为五章，各章的主要内容分别概括如下： 第一章综述了有关高温超导体中电荷条纹相的研究进展，包括条纹物理图像的简 单介绍、条纹与结构之间的关系、高温超导体中电荷一维输运的实验证据等。通过对 各种实验手段研究条纹结果的分析，阐述条纹在高温超导电性中所扮演的角色。最后 给出了当前研究中存在的一些问题。 第二章我们研究t l a l8 8 一n d g s 。0 1 2 c u 0 4 体系的结构、输运行为以及超 声衰减特性。室温下的x 射线衍射表明n d 掺杂能够驱动c u 0 6 八面体的旋 转。l a l 4 8 n d o4 s r o1 2 c u o a 的变温x 射线衍射证明在7 0 k 附近发生低温正交一低温四方 的结构转变。样品的电阻率在l t o l t t 结构转变处出现小的跳跃，在l t o 相可以很 好的用一维输运模型进行描述，而在l t t 相则表现为l o g ( 1 t ) ； t 为。超声声速在l t o l 1 ，r 结构转变温度处的异常硬化和伴随的能量损耗峰给出了静态电荷条纹随n d 掺杂的 演化规律。更为重要的结果是，在1 0 0 k 附近我们观察到由于动态电荷条纹与掺杂引起 的晶格畸变之间弛豫性相互作用而导致的能量损耗峰。超声变频测量的结果表明动态 条纹越过钉扎中心的激活眍e k b 约为1 8 0 0 k 。 第三章研究t l a l8 8 s r o 1 2 一。b a 。c u 0 4 体系的超导电性和超声衰减特性，并讨论了 超导电性与电荷条纹之间的关系。根据超声声速在低温下的硬化以及伴随的衰减峰 随b a 含量z 的演化，我们证明了在b a 含量z 0 0 4 的样品中存在着局域的静态电荷条 中国科学技术大学博士学位论文 l l 摘要 纹，随着b a 含量的增加，静态电荷条纹由局域向长程有序渡越。在没有掺杂等因素对 低温四方结构的稳定作用时，超导电性占主导地位，体系中只有局域的电荷条纹存 在。通过b a 掺杂稳定低温四方结构，电荷条纹变得稳定而超导电性被压制。 第四章系统的研究了磁场对l a 2 1 4 体系中电荷条纹的影响。我们发现对于非超导 的l a 2 一。s r 。c u 0 4 ( z = 0 0 3 ，o 0 4 ) 、已经建立长程电荷有序的l a l4 8 n d o4 s r o 1 2 c u 0 4 、以 及b a 含量z 0 0 6 的l a l 8 8 s r o1 2 一。b a z c u 0 4 ，磁场对其中低温下电荷条纹相关的超声 声速和衰减异常均没有影响。而对于超导电性占主导地位，没有建立起长程电荷有 序的l a l 8 8 8 r 0 1 2 一。b a x c u 0 4 ( x 0 0 6 ) 样品，磁场能够使其中的低温四方结构不稳定性 增强。我们的结果表明磁场对电荷条纹本身没有影响。在超导电性占主导地位的样 品中，外加磁场能够加强电荷有序，其根源在于超导与条纹序之间的竞争。磁场 下l a l 8 8 s r o 1 2 一。b a 。c u 0 4 ( x o 0 6 ) 样品电阻曲线上超导转变随磁场增加表现出由扇形 展宽向平移行为的渡越，也证明了超导电性被压制后静态条纹序的增强。 第五章我们研究了n a 。c 0 0 2 的r a m a n 谱并指认了各个r a m a n 峰所对应的声子模。 我们发现对于n a o 7 c 0 0 2 ，在室温下只出现对应氧原子振动的a l g ，e 1 口和场目r a m a n 散 射峰，而对应n a 离子在面内z 方向振动的局。声子模式在室温下由于n a 的不均匀分布 和高的迁移性而缺失。进一步的研究发现缺失的n a e 2 。r a m a n 峰在z = o 5 的样品中在 室温下出现，在z = 0 7 的样品中在低温下出现。n a 能j e 2 9 r a m a n 峰的出现可以作为体系 中n a 离子有序的证据。 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 i i i a b s t r a c t t h e r ei sag r o w i n ge v i d e n c et h a tc h a r g e sa n ds p i n sa r es e l f - o r g a n i z e di nc u 0 2p l a n e si na p e c u l i a xs t r i p e dm a n n e ri nh i g ht e m p e r a t u r ec u p r a t e s ，w h e r et h ed o p e dh o l e sa r ea r r a n g e di n o n e - d i m e n s i o n a l ( 1 d ) l i n e s ，“c h a r g es t r i p e s ”t h a ts e p a r a t et h ea n t i f e r r o m a g m e t i cd o m a i n s w h a tar o l eo fc h a r g es t r i p eo r d e rp l a y si nh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t ya n dn o r m a l s t a t ep r o p e r t i e sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti n t e r e s t i n gh o tt o p i c si nc o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc h a r g es t r i p e s a n ds t r u c t u r ed i s t o r t i o n ，t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l do nt h ec h a r g es t r i p eo r d e ra n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a r g es t r i p eo r d e ra n ds u p e r c o n d u c t i v i t yi nl a - b a s e dc u p r a t e sw e r e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i na d d i t i o n ，t h ef 妇n a ns p e c t r ao fn a x c 0 0 2w e r ea l s os t u d i e d t h ep r o g r e s s e si nt h es t u d i e so nt h ec h a r g es t r i p ep h a s ei nh i g ht e m p e r a t u r es u p e r - c o n d u c t o r sw e r er e v i e w e di nc h a p t e ro n e t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ：t h ep i c t u r eo fs t r i p e p h a s e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a r g es t r i p e sa n dc r y s t a ll a t t i c e ，e x p e r i m e n t a le v i d e n c e s f o rt h e1 dt r a n s p o r to ft h ec h a r g e si nc u p r a t e s7a n ds oo n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u p e r c o n d u c t i v i t ya n dc h a r g es t r i p eo r d e ri sa n a l y z e da n d s o m eo p e nq u e s t i o n sa r ed i s c u s s e da t t h ee n do ft h ec h a p t e r ， i nc h a p t e rt w o ，t h es t r u c t u r e ，t r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，u l t r a s o n i cs o u n dv e l o c i t ya n da t t e n u a t i o no fl a l 8 8 一y n 屯s r 0 1 2 c u 0 4w e r es t u d i e d t h ex r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) p a t t e r n s a tr o o mt e m p e r a t u r es u g g e s tt h a tn dd o p i n gf a v o r st h et i l t i n go fc u 0 6o c t a h e d r at e m - p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fx r dp a t t e r no fl a l4 8 n d 04 s r o 1 2 c u 0 4s h o w sas t r u c t u r ep h a s e t r a n s i t i o nf r o ml o w - t e m p e r a t u r eo r t h o r h o m b i c ( m 1 0 ) t ol o w - t e m p e r a t u r et e t r a g o n a l ( l t t ) a r o u n d7 0k i tw a sf o u n dt h a tt h er e s i s t i v i t yb e h a v i o ro ft h es a m p l e sc a nb ew e l ld e s c r i b e d b ya1 dt r a n s p o r tm o d e li nl t op h a s ea n ds h o wal o g ( 1 t 1b e h a v i o ri nl t r rp h a s e t h e a n o m a l ys t i f f e n i n go fu l t r a s o n i cs o u n dv e l o c i t ya n dt h ea t t e n u a t i o np e a ka r o u n di 厅o 一【t t s t r u c t u r ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r es u g g e s tt h ef o r m a t i o no fs t a t i cc h a r g es t r i p e s t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nd y n a m i cc h a r g es t r i p e sa n ds t r u c t u r ed i s t o r t i o nw a si d e n t i f i e db ya 中国科学技术大学博士学位论文 i v英文摘要 b r o a da t t e n u a t i o np e a ka r o u n d1 0 0k a n dt h ea c t i v a t i o ne n e r g yf o rc h a r g es t r i p e so v e r c o m - i n gp i n n i n gc e n t e r si sa r o u n d1 8 0 0k i n c h a p t e rt h r e e ，t h e u l t r a s o n i cs o u n dv e l o c i t ya n da t t e n u a t i o nb e h a v i o ro f l a l8 8 s r 0 1 2 2 b a c u 0 4w e r es t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u p e r c o n d u c t i v i t ya n d c h a r g es t r i p eo r d e rw a sd i s c u s s e d t h ea n o m a l ys t i f f e n i n go fu l t r a s o n i cs o u n dv e l o c i t ya n d t h ea t t e n u a t i o np e a ka tl o wt e m p e r a t u r ed e p i c tt h ee v o l u t i o no fc h a r g es t r i p eo r d e r i tw a s f o u n dt h a ti ns a m p l e sw i t hz 0 0 4 ，s u p e r c o n d u c t i v i t yd o m i n a t e sa n dt h es t r i p eo r d e ri s s u p p r e s s e da n de x i s t si nl o c a ls e n s e w i t hi n c r e a s i n gb ac o n t e n t t h es t r i p eo r d e rd e v e l o p s g r a d u a l l y t h er e v e r s eb ac o n t e n td e p e n d e n c i e so fs t r u c t u r ei n s t a b i l i t ya n ds u p e r c o n d u c t i v i t yi n d i c a t et h e i rc o m p e t i t i o nw i t he a c ho t h e r i nc h a p t e rf o u r ，w es t u d i e dt h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l do nt h ec h a r g es t r i p eo r d e ri n l a 2 1 4s y s t e m b ym e a s u r i n gt h er e s i s t i v i t y , u l t r a s o n i cs o u n dv e l o c i t ya n da t t e n u a t i o n ，i t w a sf o u n dt h a ta1 4tf i e l dc a nn o ta f f e c tt h ec h a r g es t r i p eo r d e ri nn o n s u p e r c o n d u c t i n gl a 2 一z s r z c u 0 4 扛= 0 0 3a n d0 0 4 ) a n dl o n g - r a n g e - s t r i p e dl a l4 8 n d 0a s r o1 2 c u 0 4a n d l a y s s s r 0 1 2 一z b a x c u 0 4w i t hz 0 0 6 w h i l ef o rl a l8 8 s r o 1 2 一z b a z c u 0 4w i t hzs0 0 6 ， i nw h i c ht h ec h a r g es t r i p e s & r en o tw e l ld e v e l o p e d t h es t r i p eo r d e ra n dl t ts t r u c t u r e i n s t a b i l i t yc a nb ee n h a n c e db yam a g n e t i cf i e l dd u et ot h es u p p r e s s i o no fs u p e r c o n d u c t i v i t y t h ec r o s s o v e ro fs u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i t i o nf r o mf a n - s h a p eb r o a d e n i n gt op a r a l l e l s h i f tw i t hi n c r e a s i n gm a g n e t i cf i e l da l s os u g g e s t st h ee n h a n c e m e n to fc h a r g es t r i p eo r d e ri n l a l8 8 s r 0 1 2 一z b a z c u 0 4w i t hz o 0 6 i nl a s tc h a p t e rw er e p o r tt h er a n a ns p e c t r as t u d yo nn o n s t o i c h i o m e t r i cc o m p o u n d n a z c 0 0 2 o u rr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tf o rn a 0 7 c 0 0 2 ，o n l yt h r e er a m a np e a k s ，a 1 9a t 5 7 6c m 一1 ，e 幻a t4 6 0c m 一1f r o mt h ea b s u r f a c e ，a n de 1 9a t4 9 7c m 一1f r o mt h eo c s u r f a c e ， c a nb eo b s e r v e da tr o o mt e m p e r a t u r e f o rz = 0 5 ，a ne x t r ae 2 口p e a ka r o u n d4 3 0a m - 1 a p p e a r sf r o ma b p l a n es c a t t e r i n g a n di td i s a p p e a r sf o r 石= 0 3 l o wt e m p e r a t u r er a m a n s p e c t r af r o ma b p l a n em e a s u r e dd o w n t o8 0ks h o wt h a tw i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，e 2 9 p e a k sa r o u n d4 3 0c m 一1a n d4 1 5c m 一1a p p e a ra tl o wt e m p e r a t u r ef o rz = o 7a n d0 5 r e s p e c t i v e l y t h e s et w oe 2 9m o d e sa r es u g g e s t e dt ob ec l o s e l yc o r r e l a t e dw i t ht h eo r d e r i n g o fn ai o n si nn a x c 0 0 2 中国科学技术大学博士学位论文 致谢 本论文是在导师李晓光教授的悉心指导下完成的。在五年的学习过程中，李老师 给了我孜孜不倦的教诲和无微不至的关怀。学深为师，身正为范，导师严谨的治学态 度、渊博的学识、富于创新的思想和敏锐的科学洞察力对我影响至深。导师的启发和 教诲为我今后进一步从事科研工作奠定了坚实的基础。在此特向李老师致以最诚挚的 感谢! 进入实验室后，李广副教授手把手教会我许多实验技能，使我很快进入研究状 态。李广副教授还带我在仪器控制和编程方面入门，这对我以后的研究工作起到了莫 大的帮助。在此向他表示诚挚的感谢。 感谢低温强磁场实验室的曹烈兆教授，汪成友副教授以及低温车间的师傅在低温 实验方面给予的帮助和辛勤劳动。在论文过程中还得到结构中心的周贵恩教授，吴文 彬教授，贾云波老师，许存义教授以及左键教授的帮助和支持，在此一并表示感谢。 感谢刘勇博士，晋传贵博士，钱天同学，陆小力同学以及汪伟同学在做实验，讨 论问题和修改文章过程中给予的帮助。感谢实验室所有同学，他们陪我渡过了快乐的 五年研究生生活，令我终生难忘。 最后，感谢我的父亲母亲和女朋友马平，他们的支持和鼓励让我能够勇敢地面对 困难和挫折。我将用更多的努力和成绩来回报他们。 屈继峰 二零零六年四月于合肥 第一章高温超导体中的电荷条纹序 第一章高温超导体中的电荷条纹序 1 1 引言 自从1 9 8 6 年b e d n o r z 和m f i l l e r 发现高温超导电性至今f 1 1 ，尽管人们已经对高温铜氧 化物超导体进行了大量的研究，但是最基本的一些物理问题依然没有得到明确的结 论，例如配对机理，电阻率的线性温度依赖关系，以及赝能隙等。在高温超导研究的 初期，人们希望通过对简单的金属超导体的理论进行适当修改，以解释高温超导配对 机理。然而，近年来，大量的实验结果和理论研究令人信服的证明了在过渡金属氧化 物强关联体系中，电子的本征非均匀分布占着主导的地位2 1 。这解释了为什么早期的 基于均匀体系的理论不适用于高温超导体系。图1 1 给出了几种高温超导体中电子不均 匀分布的例子。 图1 - 1 高温超导体中电子不均匀分布的几个例子。( a ) 理想的维电荷条纹【3 】( 圆圈代表电荷， 箭头但表自旋) 。( b ) 扫描电子显微镜( s t m ) 得到的d 波超导能隙的实空问分布 4 】。( c ) 最近在n a 掺 杂铜氧化物中观察到的棋盘型的电荷有序态【5 】。取自文献f 2 】。 强关联电子系统中本征非均匀性的存在起源于多个物理自由度( 自旋、电荷、晶格 和( 或) 轨道) 的相互作用。多个自由度的相互作用还导致了在强关联电子材料中的另一 个显著的特征一多种基态的相互竞争。例如在对最佳掺杂的b i 2 s r 2 c a c u 2 0 8 + d 的扫描隧 道谱测量中，h o f f m a n 等【6 】在磁通芯子内部直接观察到了一种4 0 4 a ( a 为晶格常数) 棋 中国科学技术大学博士学位论文 2 1 2 条纹相的物理图象 盘形的低能电子结构，这种结构就是由于反铁磁序和超导序竞争所产生的，由于在磁 通芯子内部超导电性被压制，反铁磁序和伴随的电荷序得以加强。研究这种多基态的 相互竞争，不仅对超导配对机理的澄清有着至关重要的作用，对于强关联材料的应用 也有着非常巨大的意义。 近年来，条纹相作为高温超导体中电子自旋和电荷不均匀分布的一种具体形式， 逐渐为实验所证实。条纹相与超导电性之间的关系成为当前研究的热点之一。本章我 们将简单介绍条纹的物理图像，并通过对各种实验手段研究条纹结果的分析阐述条纹 在高温超导电性中所扮演的角色。 1 2 条纹相的物理图象 1 2 1 条纹相概念的提出 首先我们来看超导发生的基本单元一二维的c u 0 2 平面。图1 - 2 ( a ) 为l a 系超导体母 体l a 2 c u 0 4 的晶体结构，理想的c u 0 2 平面如图l 一2 f b ) 所示呈四方对称性，晶格常数 为。每个c u 原子上带有1 2 自旋，m q = 0 2 。电子为媒介的超交换作用，c u 原子自旋之 间形成反铁磁耦合，磁晶胞的晶格常数为以o 。这样一个单元其倒格子如图1 2 ( c ) 所 示，除了晶格倒易点之外，在( 1 2 ，1 2 ) 位置存在磁倒易点。实验上就是通过探测到 图1 - 2 ( a ) l 繇超导体母体l a 2 c u 0 4 的晶体结构。( b ) 高温超导体的c u 0 2 平面，箭头指示为c u 离 子的自旋取向，阴影区域代表c u 的3 d 轨道和o 的2 p 轨道。( c ) c u 0 2 的倒易格子，大的圆点代表晶 格b r a g g 峰，周围的椭圆和三角符号代表由于电荷有序而形成的超晶格峰。星号代表磁b r a g g 峰， 随掺杂丽演化为四周小的圆点和方块代表的非公度峰。取自文献f 7 】。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章高温超导体中的电荷条纹序 3 在该位置的弹性中子散射峰而证实了l a 2 c u 0 4 是反铁磁的绝缘体。 早期的中子散射研究表明，少量的空穴掺杂就能够破坏铜氧化物母体的长程 反铁磁序。这主要是因为引入的空穴能够破坏相邻c u 2 十离子的超交换作用，从 而导致在空穴周围的c u 2 下离子呈铁磁性排列。在欠掺杂区域，中子散射的结果表 明磁关联长度随掺杂以再的形式迅速减小 8 。同时，随着磁关联长度的减小， 人们发现体系中的自旋涨落会发生公度到非公度的转变。y a m a d a 等9 1 通过非弹性 中子散射研究发现在l a 2 一。s r 。c u 0 4 体系中，当掺杂浓度达到z = 0 0 5 时，伴随着超 导电性的出现，( 1 2 ，1 2 ) 位置处的自旋涨落峰消失，取而代之的是在非公度位 置( 1 24 - d ，1 2 ) 和( 1 2 ，1 2 - 4 - d ) 出现了四个非公度的磁涨落峰。随着掺杂量z 的增 加，非公度调制波矢6 近似与掺杂量z 成正比，直到。达到0 1 2 呈现饱和。更为有趣的 是，体系的超导转变温度疋在0 0 5 x 0 1 2 的掺杂范围内随着d 线性增长。这表明体 系的超导电性与非公度磁涨落有着密切的关系。 随后的研究中，t r a n q u a d a 等 1 0 1 用弹性中子散射手段探测n d 掺杂 的l a 2 一。s r 。c u 0 4 体系时，在同样的位置发现了弹性的非公度散射峰。同时，他 们在( 0 2 0 ) 晶格b r a g g 峰的附近观察到了另外两个弹性的卫星峰。这表明此时的样 品中，形成了新的晶格和磁有序。值得注意的是，l 8 l6 一。n d oa s r 。c u 0 4 中的静 态自旋关联的周期性随$ 的变化行为与l a 2 一。8 r 。c u 0 4 的非弹性中子散射峰的z 依 赖关系几乎相同【9 ，1 1 】，这可能表示在l a 2 一。s r 。c u 0 4 中也存在自旋一电荷调制。这 样，l a 2 一。s r 。c u 0 4 体系在( 1 2 土6 ，1 2 ) 和( a z ，a 24 - 6 ) 位置所给出的非弹性非公度中 子散射峰可以很合理的解释为这种磁有序的低能激发。对y b a 2 c u a 0 7 - 6 的中子散射研 究 1 2 也倾向于表明在这掺杂c u 0 2 平面内有内在的自旋电荷周期性涨落。 图1 - 3 电荷一自旋一条纹示意图。左图为竖直条纹， 无自旋区域周期性间隔排列。q 表示调制周期。 由图为对角条纹。反铁磁绝缘区域和有电荷的 中国科学技术大学博士学位论文 41 2 条纹相的物理图象 t r a n q u a d a 等【1 0 在l a l6 一。n d o4 s r 。c u 0 4 中观察的电荷有序调制波矢是磁有序调 制波矢的2 倍，这表明实空间中电荷密度的调制周期是自旋调制周期的一半。 这意味着，电荷结构单元可能是作为自旋结构单元的反相畴壁而存在。基于 此，t r a n q u a d a 等提出了电荷条纹相的模型，如图1 3 左图所示。在c u 0 2 平面上，电荷 自发聚集形成一维链状结构。而在电荷条纹之间，自旋的反铁磁关联得以保留，并且 相邻的反铁磁畴之间呈反相分布。当空穴浓度为1 8 时，电荷条纹的周期恰好是4 0 ， 而自旋条纹的周期则为8 n 。按照这一图像，在中子散射实验中观察到的电荷和自旋超 晶格峰应该具有二重而不是四重对称，因此，他们认为在上下相邻的c u 0 2 面上，条 纹的方向会发生9 0 。的旋转。 实际上，在l a 2 - z s r 。c u 0 4 轻度掺杂( o 0 2 x o 0 5 ) 的样品中，弹性中子散射也探 测到了自旋条纹有序的散射峰 1 3 1 5 。只是其位置相对于图1 - 2 ( c ) 中所给出的位置 扰( i 2 ，1 2 ) 旋转了4 5 。，此时条纹不是沿c u o c u 的方向，而是沿着对角c u c u 的方 向。如图1 3 右图所示。 耋星霉耋 耋耋霉室 誊誊誊砉 c w s t a l 煳 n e m a t i c s m e c t i c s o t r o p i c 图1 - 4 各种局域条纹结构( 电子液晶相) 示意图。取自文献【1 6 。 实际情况下的条纹可能并不如图1 3 所示的那样理想。而是以很强的非公度涨落 的形式存在 1 7 】。k i v e l s o n 等 1 6 件旨出条纹横向涨落的零点能量舰是一个非常重要的能 量标度。在低温下，如果鼬较小，条纹之间的相互作用会导致体系转变为电荷密度 波( c d w l 。但是，只要条纹横向涨落的能量足够大，系统就不会转变为c d w 态，而 是形成一种电子液晶相。所谓电子液晶相是一种新的物质态，它的基态基于量子涨 落较大的液体和量子涨落较小的固体之问。k i v e l s o n 等给出了零温时可能的几种电子 基态：( 1 ) g g 子晶体相( c r y s t m ) ，没有平移对称；( 2 ) 向列液晶相( n e m a t i cp h a s e ) ，具有 中国科学技术大学博士学位论文 第一章高温超导体中的电荷条纹序 5 平移和反演对称，而四重旋转对称破缺；( 3 ) 碟状液晶相( s m e c t i cp h a s e ) ，平移对称破 缺；( 4 ) 各向同性液体，无对称破缺。如图l 一4 所示。k i v e l s o n 等认为，当胁相对于库仑 作用能y 增加时，系统会从电子晶体相转变为具有各向异性的向列液晶相和碟状液晶 相，此时，在较大的尺度上没有c d w 涨落。 条纹相特别是动态条纹相的概念，从一个方面对传统的费米液体理论提出了质 疑。在传统的费米液体理论中，对物质的金属态采用准粒子的量子气体的图象，这些 准粒子为费米子。在b c s 理论中只是涉及一点剩余的吸引作用导致c o o p e r 对( 玻色 子) 的形成，从而凝聚为超导态。在高温铜氧化物超导体正常态中倘若存在条纹相或 动态条纹涨落，那么上述传统费米液体理论模型就可能失败，这种正常态的电子液 体具有一种复杂的行为，诸电子以某种复杂的量子涨落绘景而形成某种高度合作现 象，z a a n e n 称之为复杂量子物质1 8 1 。 1 2 2 高温超导体中的1 8 反常 在l a 2 一。b a z c u 0 4 体系的高温超导电性被发现后，人们很快注意到了一个特殊的 现象：l a 系铜氧化物超导体在掺杂载流子浓度为1 8 时会表现出非常奇特的现象， 这种现象被称为1 s 奇异。例如在l a 2 一。b a 。c u 0 4 1 9 体系i f f i l a l 6 - - x n d o4 s r 。c u 0 4 f 2 0 】体 系中，瓦( z ) 在1 8 处会出现个深谷；在l a 2 一。b a x c u 0 4 和l a 2 一。s r 。c u 0 4 中，同位素 因子。( z ) 沁= d l n ( t c ) d l n ( m ) ) 在1 8 处出现极大 2 1 ，2 2 j ；在l a 2 一。s r 。c u 0 4 中，超流密 度( z ) 在1 8 处明显减小f 2 3 】，等等。 对于l 8 奇异，t r a n q u a d a 等【1 0 给出了一个令人信服的解释：1 s 异常实际上是 公度锁相的条纹结构出现的产物。在1 8 载流予浓度时，条纹间的间距恰好是4 倍 的晶格常数，因此，额外的公度能量使得条纹序在此处更为稳定。k o i k e 等2 4 1 发 现少量z n 对c u 的替代，将会使1 s 反常抑制更强烈，这一现象能够用相同的机制来解 释。z n 对c u 的替代可以看成是对晶格引入了有效的钉扎源，使得动态的条纹关联与晶 格周期之间变得相称，从而形成静态条纹。尽管也有可能是其他的电荷密度波形式的 有序在1 8 处达到某种稳定状态，在l a 系超导体中，1 8 奇异源于条纹序的稳定已经基 本得到公认。 中国科学技术大学博士学位论文 6 12 条纹相的物理图象 1 2 3 费米面结构 z h o u 等f 2 5 1 通过角分辨光电子谱( a r p e s ) 研究了l a l 2 s n d o6 s r 0 1 2 c u 0 4 样品的费米 面结构。通过测量2 0 k 温度时准离子激发能谱在动量空间的分布，并对费米能级以 上5 0 0 m e v 能量窗口进行积分，z h o u 等得到了动量态密度在布里源区第和第四象限 的分布佗( ，b ) 。如图1 5 ( a ) 和( b ) 所示，他们发现高的态密度他( k ，b ) 分布被限制 布里源区内以原点为中心的十字形区间里：在方向以f k j 兰”4 为边界，在k 方向 以l b i ”4 为边界。由此可以推知费米面的形状应该如图1 5 ( c ) 中实线所示，而与能 带理论计算出的圆滑的费米面( 虚线) 相去甚远，与预期的d 波超导体的费米面相比，节 点区的准离子激发被强烈的压制。 图1 - 5 ( a ) ( b ) 对费米能级以上5 0 0 m e v 能量窗口积分得到的赞米面映射图；( c ) 实验得到的条纹相 对应的费米面( 实线) 和计算得到的二维c u 0 2 面d 一波形状的费米面( 虚线) 的比较；( d ) 理论预言的条 纹相的费米面形状。【1 为二维布里渊区中心。取自文献【2 5 1 。 按照条纹的图像，条纹在相邻的两个c u 0 2 面内垂直分布，并具有很强的电荷 调制。在1 8 掺杂的情况下，电荷调制周期为4 a ，而在条纹内部电荷的填充为1 4 。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章高温超导体中的电荷条纹序 7 水平方向的条纹能够给出竖直的费米面k = ”4 ，而竖直的条纹则给出水平的费米 面= ”4 。因此，试验观察到的费米面可以理解为这样两种相互垂直的费米面的超 结构，如图1 - 5 ( d 1 。由于磁条纹和电荷条纹分别为绝缘和金属区域，绝缘区的信号由 于莫特能隙的存在而被推到很高的结合能位置，因此低能的激发主要来自于金属区， 从而使得低能激发占据态被限制在i i = ”4 和1 b 1 = ”4 。 1 3 电荷条纹与结构的关系 铜氧化物超导体伴随着条纹序的形成出现周期性晶格畸变，l a 2 一。s r 。c u 0 4 的近限x 射线吸收谱( x a n e s ) 研究表明，电荷有序的起始温度具有明显的同位 素效应，1 8 0 替代1 6 0 将提高了近6 0 k 2 6 ；稀土元素替代的l a 2 一。s r 。c u 0 4 热导率k 于疋。出现异常【2 7 】在l a 2 一。一g n d f s r 。c u 0 4 的弹性中子散射( e n s ) 实验中电荷序是通过 有序电荷诱发的周期性晶格畸变探测的1 0 1 。所有这些证据表明电荷有序现象在晶体 微观结构上有所反映，晶体微结构以及晶格动力学的研究为侧面观察高温超导体中的 电荷有序提供窗口，通过对电荷序引起的局域结构畸变的研究将有助于加深对电荷有 序现象的认识。 1 3 1l a 系铜氧化物的结构转变 l a 2 c u 0 4 具有k 2 n i f 4 型结构，由c u 0 2 平面和岩盐层沿c 方向交替堆积而成。由 于l a o 键长与c u 0 2 面上# g c u - o 键长不匹配，使得c u o 键处于压应力的作用t 2 8 】。 在一定温度下c u 0 6 面体会发生倾斜以释放c u o 键的压力。c r a w f o r d 等 2 0 l 提出可以 用朗道相变理论来描述c u 0 6 k 面体倾斜导致的结构不稳定性。定义序参量q 1 和q 2 分 别代表c u 0 6 k 面体绕高温四方结构中f 1 1 0 】和f l t o 轴的旋转，则各种对称结构( 如 图1 6 所示) 可以描述为： h t t ：q i = q 2 = 0 ， l t 0 1 ：q l 0 ，q 2 = 0 ，或q x = 0 ，q 2 0 ， l t 0 2 ：q l 0 ，q 2 0 ，q i # q 2 ， l t t ：l q l i = i q 2 i 0 。 在h t t 结构中，c u 0 6 ) 面体的顶点氧在 0 0 1 1 方向，c u 0 2 层的氧在c u 0 2 平面内。 而在l t o 结构中，c u 0 6 k 面体绕h t t 结构的 1 1 0 】或 1 i 0 轴发生了旋转，相邻c u 0 6 l 中国科学技术大学博士学位论文 8 1 3 电荷条纹与结构的关系 瓣、拶冀 ( a i - i t t ( b ) l t o ( e ) l t t 图1 - 6h t t ，【t o 和l t t 三种结构的示意图，上图为相应晶体结构的俯视图。q l 和0 2 分别对应 绕h t t 结构【1 1 0 】和【1 i 0 】的两种旋转模式，箭头表示c u 0 6 八面体的旋转方向。 面体旋转的方向相反，导致了6 轴被拉伸，所以形成正交结构。而在l t t 结构 中，c u 0 6 八面体绕h t t 结构的 1 1 0 】和【1 t o 降5 旋转了相同的角度，此时o 、6 轴都被 拉伸，但是拉伸的程度相同，所以仍然具有四方对称性。 1 3 2 低温四方相钉扎电荷条纹 对l a 2 一。b a ，：c u 0 4 以及相关体系的研究表明，1 8 掺杂处超导转变温度的压制 一般都伴随着体系从普通的低温正交相( l t o ) 到低温四方相( l t t ) 的结构转变f 2 0 ， 2 9 卜t r a n q u a d a 等【1 0 1 通过对l t o 和l t t 结构的对比分析提出，l t t 结构能够有效地钉 扎竖直的电荷条纹，从而形成长程的电荷有序。 图1 7 给出i t o 和l t t 两种结构下c u 0 2 面上的情况。其中z = o 和0 5 分别代表上下 两个相等l i c u 0 2 面，由于c u 0 6 ) k 面体的旋转，氧原子会偏离原来的位置，“+ ”代 表氧原子在c u 0 2 面上方，“一”代表在c u 0 2 面下方。在l t o 相，c u 0 6 八面体绕c u c u 方向旋转，从而使得在旋转轴两侧的四个氧原子两两分别处于c u 0 2 面的上方和 中国科学技术大学博士学位论文 篁= 主壹墨整量堡! 塑皇垄垒鏊生! o o o o o 、p op 、 o o 0 o o o o o o oooo 1 卜o - o ( p oooo q 歧) o 0 一 oooo o o o 图1 7 单胞肉两个相4 9 c u 0 2 面在l t o 和l t t 相下的皱折示意图。空心和实心的圆圈分别代表氧 原子核铜原子。“+ ”和“一”代表由于c u 0 6 j k 面体旋转而导致氧原子偏离而分别处于c u 0 2 平面 的上下。取自文献 1 0 l 。 下方。在这种情况下，c u 0 2 平面会形成对角方向的皱折。而在l t t 相，c u 0 6 八面体 绕着c u - o ：c u 方向为轴旋转，这样在旋转轴上的两个氧原子还处于原来的铜氧平面 上，而另外两个对角的氧原子则分别处于c u 0 2 平面的上下，相邻的c t , 0 6 八面体旋 转的方向相反，c u 0 2 平面形成竖直方向的皱折。因此竖直方向的条纹能够被l t t 相 钉扎，而l t o 相则不能。观察图1 7 ，可以看到在l t t 相上下两个c u 0 2 面错开了半个 晶格，c u 0 6 八面体合作旋转的结果使得皱褶的方向互相垂直，这就说明了为什么上 下两个c u 0 2 面上的条纹会相互垂直分布，从而在中予散射图样上给出四重对称的特 征。 1 3 3电荷条纹诱导局域结构畸变 b i a n c o n i 研究组首次从局域结构的角度报道了可能与电荷序有关的结构畸 变及调制【3