赵忠贤院士等团队最新Nature

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随着掺杂水平的微小变化，性能的显著演变是控制氧化铜超导性的复杂化学的一个标志。电阻率随温度线性变化的奇异金属状态已成为氧化铜超导体正常状态的核心特征。这种行为的普遍性标志着散射机制和超导性之间的密切联系。然而，一直缺乏明确的相关性定量图景。

2022年2月16日，中国科学院物理研究所赵忠贤，金魁，胡江平及马里兰大学帕克分校Ichiro Takeuchi等合作在Nature 在线发表题为“Scaling of the strange-metal scattering in unconventional superconductors”的研究论文，该研究报告了电子掺杂氧化铜 La_2–xCe_xCuO₄ (LCCO) 中超导转变温度 (T_c )、线性 T 散射系数 ( A₁ ) 和掺杂水平 (x) 之间精确定量比例定律的观察结果。

外延成分扩散薄膜的高分辨率表征，包括 LCCO 的整个过掺杂范围，使研究人员能够以前所未有的精度和增量 Δx = 0.0015 系统地绘制其结构和传输特性。该研究发现了关系T_c ~(x_c – x)^0.5 ~ (A₁^□)^0.5，其中 x_c 是超导消失的临界掺杂，A₁^□是每个 CuO2 平面的线性电阻率系数。铜氧化物、铁基和有机超导体之间 T_c  与 A₁^□ 关系的惊人相似性可能表明这些系统中奇异金属行为和非常规超导性的共同机制。 

氧化铜超导体在正常状态电阻率中的奇异金属行为是在发现后不久首次观察到的。现在已经在几种超导氧化铜中报道了电阻率作为温度线性函数（线性 T 电阻率）变化高达数百开尔文的不寻常行为。在最佳掺杂附近的狭窄组成区域中，线性 T 行为延伸至低温（接近 T_c ），表明在量子临界点 (QCP) 处的临界行为。在掺杂的氧化铜La_2–xSr_xCuO₄ (LSCO) 中，发现在接近最佳掺杂的扩展范围内，线性 T 电阻率在正常态传输中占主导地位，低至 1.5 K，高磁场抑制了超导性。

对于电子掺杂的铜氧化物，完美的线性 T 电阻率在 Pr_2–xCe_xCuO₄ 中持续低至 40 mK，在 La_2–xCe_xCuO₄（LCCO）中持续低至 20 mK。最近，在反铁磁 (AF) 状态下也观察到了奇异金属态。奇异金属态的一个重要特征是线性 T 电阻率系数（即 ρ = ρ0 + A₁T 中的 A₁）与 T_c  呈正相关，表明异常正常态与超导性。

不同超导系统的(A₁^□)^0.5 和 T_c 之间的相关性，其中((A₁^□)^0.5 和T_c  由它们各自的最大值归一化（图源自Nature  ）

学界一直在努力将 A₁ 和 T_c  之间的关系量化为化学掺杂浓度的直接函数。然而，由于缺乏足够密度的足够数据点来映射掺杂相图，因此尚不清楚明确的表达方式。为此，该研究使用了涵盖整个 LCCO 过掺杂范围的高精度薄膜成分分布，掺杂浓度 Δx 的增量精度为 0.0015。

该研究系统测量揭示了连接超导转变温度 (T_c )、掺杂水平 (x) 和 T 线性系数 (A₁^□) 的显著比例定律，即 T_c  ~(x_c – x)^0.5 ~ (A₁^□)^0.5。这里 A₁^□ 是由相邻 CuO2 平面之间的距离归一化的 T 线性系数，即 A₁^□ =A₁/d，其中 d 是 c 轴晶格常数的一半（d = c/2）。该研究结果可能指出了铜氧化物、磷化物和一类有机超导体之间的归一化 T 线性系数和 T_c 之间的普遍关系，强烈暗示了这些非常规超导体中存在的共同基础物理学。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04305-5

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