《高温超导体的磁激发_探寻不同体系铜氧化合物的共同特征》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高温超导体的磁激发_探寻不同体系铜氧化合物的共同特征（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 35(2006M)10 http: PPwww. wul.i ac. cn8H?:8+戴鹏程1, 2, 李世亮1( 1 田纳西大学物理与天文系 田纳西 美国 37996- 1200)(2 橡树岭国家实验室中子散射中心 田纳西 美国 37831- 6393)K 1 文章回顾了中子散射在高温超导铜氧化合物磁激发研究中的最新进展.自从铜氧化合物在 20年前被发现以后,理解它们超导电性的微观来源一直是凝聚态物理中的核心课题.在传统超导体中,使得电子成对形成超导态的相互作用是以晶格振动(声子)为媒介的.而对于铜氧化合物的超导机理,人们通常认为磁激发可能起到根本的作用,因为超导电性是在可移动的/电子0或
2、/空穴0掺杂到反铁磁母体化合物之后才发生的.文章总结了过去 20年来利用非弹性中子散射研究磁激发的关键结果和现状,并指出了将来可能的研究方向.1oM 高温超导体,中子散射,磁共振峰,磁非公度峰Magnetic excitations in high-temperature superconductors: searchfor universal features in different classes of copperoxidesDAIPeng-Cheng1, 2, LISh-iLiang1(1Department ofPhysics and Astronomy, University o
3、fTennessee, Tennessee 37996- 1200, USA )(2Oka R idgeNationalLaboratory, Tennessee 37831- 6393, USA )Abstract We review currentprogress in theneutronscattering studiesofmagneticexcitations inhigh-transitiontemperature (high-Tc) copperoxide superconductors. Since its discovery20 years ago, understandi
4、ng themicro-scopic originofsuperconductivity in these copperoxideshasbeen the/ holy-grill0 in condensedmatterphysics. Incontrast to conventionalsuperconductors, wherethe interaction thatpairs theelectrons to form the superconductingstate ismediatedby lattice vibrations (phonons), it is generally bel
5、ieved thatmagnetic excitationsmight play afundamental role in the superconductingmechanism of copperoxides because superconductivity occurswhenmo-bile / electrons0 or/ holes0 aredoped into theantiferromagneticparent compounds. In this review, wesummarizethe key resultson themagneticexcitationsobtain
6、edby inelasticneutronscatteringover thepast20years. We dis-cuss the status of the fieldand point outpossible future directions.Keywords high-temperature superconductor, neutron scattering, magnetic resonance, magnetic incommensu-rability2006- 07- 19收到 通讯联系人. Emai:l daip orn.l gov1 引言不算很久以前,凝聚态物理学家们高
7、举着布洛赫(Bloch)定理的大旗,普遍认为如果我们可以理解单个晶胞,那么就可以理解整个晶体的性质,因为平移对称性保证了每个晶胞都是完全相同的.然而这种均匀基态的假设(对于大多数凝聚态物理学家来说他们几乎是不加思索地接受这一点的),实际上#837#Q?C20Mhttp: PPwww. wul.i ac. cn 仅仅在固体可以被单电子描述的情况下才能够严格成立,后者即可以为朗道(Landau)的费米液体理论(FLT)所概括. 50多年来, FLT为我们研究物质金属态的本质提供了意义深远的视角.根据 FLT,在一个普通金属内,相互作用的电子系统可以看作是无相互作用的/准粒子0所构成的量子气体.这种
8、准粒子从每个角度上看都很像自由电子,只是它们的有效质量不一样而已. FLT与能带理论和基于 FLT的巴丁-库珀-施里弗(BCS)超导理论一起,可以很好地描述大多数绝缘体、半导体、金属、以及超导体.但是, 1986年发现的高温超导铜氧化合物彻底地改变了我们对于超导电性乃至更广泛的强关联电子材料物理本质的理解,因为它们的很多性质都和 FLT的预言完全不同.和传统超导体不同,所有的高温超导体都是通过在反铁磁绝缘母体中掺杂/空穴0或/电子0得到的,而前者却是金属.在未掺杂母体中的反铁磁结构很简单,仅仅是将铜氧面上的晶格单胞加倍而已,如图 1(a)所示1.当可移动的空穴或电子掺杂入这些铜氧面时,长程反铁
9、磁序逐渐被破坏并被金属和超导相所代替.尽管静态反铁磁序被消除了,但是中子散射实验却清楚地表明,在所有掺杂浓度的样品中都存在着短程反铁磁自旋涨落(磁激发).和声子类似,自旋涨落也可能作为一种媒介使得电子成对并形成超导态2, 3,所以当系统从反铁磁绝缘体过渡到过掺杂超导体时,确定自旋涨落的能量( w )和波矢(Q )的依赖关系就变得非常重要了.本文的目的就是总结不同体系的高温超导体中利用中子散射研究磁激发的最新结果.如果自旋涨落确实对高温超导机理非常重要的话,那么对于不同体系的高温超导体,一定会存在一个共同的特征.在引言的最后,我们简单地介绍一下中子散射.中子是一种亚原子粒子,质量为 1. 008
10、7单位原子质量,不带电荷,但是具有 1/2的自旋.由于热中子和冷中子的波长与能量和固体中的原子间距以及晶格振动可以相比,因此中子散射在确定高温超导体静态和动态的晶格与磁性特性时具有独特而不可替代的作用.其中的一些原因如下: (1)中子被原子核所散射,所以轻原子(如氧)和重原子的散射强度是相似的; (2)中子本身的磁距(自旋 1/2)和固体中的局域磁离子以及未配对的巡游电子相互作用; (3)中子是一种很弱的探测工具,因此中子散射截面仅仅取决于系统的静态和动态关联函数,而无需要修正探测器本身的影响; (4)中子可以穿透整个样品,图 1 本领域现状的简单总结 (a)空穴型掺杂超导体母体同线自旋结构示
11、意图,电子型母体的自旋结构是非同线的; ( b) 从 Cu2+的自旋反铁磁序得到的自旋波色散关系,该色散关系可以被最近邻的海森伯哈密顿量很好地描述; ( c) La2-x SrxCuO4(LSCO)体系中自旋密度波(SDW)随空穴密度增加而演化,当掺杂量 0. 02 x 0. 05时,在 LSCO的自旋玻璃相中存在两个静态的非公度 SDW峰,分别位于( 0. 5+ D, 0. 5- D)和(0. 5-D, 0. 5+ D).而当x0. 05,系统进入超导态之后,两对非公度 SDW峰同时在( 0. 5? D, 0. 5)和(0. 5, 0. 5? D)出现6; ( d) 空穴掺杂的 LSCO和
12、YB-CO中的自旋激发色散关系28; ( e)电子型超导体的三维相图,本文内容集中在 Pr0. 88LaCe0. 12CuO4- D,其中氧含量D是变化的; ( f) 电子型材料的自旋激发32因此表面的缺陷并不会影响测量结果.2 空穴或电子掺杂到铜氧面时静态反铁磁序的演变弹性中子散射可以测量静态反铁磁序,因此可以用来确定空穴和电子型材料的磁结构4.尽管未掺杂母体中的自旋波和超导材料中的自旋涨落在原则上可以由非弹性中子散射来决定,但是后者却需要大块的高质量单晶,因此大多数的自旋激发测量都限制在 La2- x SrxCuO4 ( LSCO)和 YBa2Cu3O6+ x(YBCO)铜氧化合物体系中,
13、因为这两个体系可以#838#Q?C20M 35(2006M)10 http: PPwww. wul.i ac. cn相对比较容易得到大块单晶5.对于每个单胞只有一层铜氧面的 LSCO,中子散射实验已经发现,在 x靠近 1/8附近的样品中,超导和静态的非公度自旋密度波(SDW)共存6.此处的 SDW是准二维的,即在铜氧面内是长程有序的,而沿着 c轴则仅仅短程相关6.以LSCO的正方晶格为索引,反铁磁序在倒空间的位置处于铜氧层的(0. 5, 0. 5),而 4个非公度 SDW峰的位置则是(0. 5 ? D, 0. 5)和(0. 5, 0. 5 ?D) 5.在最佳掺杂时, LSCO的Tc最高, 此时
14、静态SDW序消失并出现自旋能隙,而在自旋隙能量之上,则代之以非公度的自旋涨落 7.另一方面,对于低掺杂的绝缘(x= 0. 03, 0. 04, 0. 05)和超导(x= 0.06)样品的实验表明, SDW序的特征在从非超导向超导态转变的边界处发生了改变8.对于非超导的La2- x Srx CuO4(x= 0. 03, 0. 04, 0. 05),存在着两个非公度 SDW峰,其方向和超导样品中的非公度峰相比旋转了 45b.当增加掺杂量 x使得样品进入超导态时,两个非公度 SDW峰变成了位置在 (0. 5 ? D, 0.5)和(0. 5, 0. 5 ? D)的 4个非公度峰.此外,非公度值 D在低
15、掺杂样品中线性依赖于掺杂量x,而当x 1/8时则趋于饱和7.对于空穴掺杂的YBCO,情况却非常不一样.因为很难将x 0. 3YBCO样品中的氧处理均匀,所以对于绝缘金属相变边界附近的静态反铁磁演化还很不清楚.不过,最近的 L介子自旋旋转( LSR)实验表明,在非常干净的欠掺杂 YBCO(x= 0. 375)单晶中,超导和反铁磁相是共存的9.在相似晶体上所做的中子散射实验显示,该反铁磁序是准静态的,其行为非常像自旋玻璃10.对于典型的电子型掺杂超导体 Nd2- x Cex CuO4(NCCO) 11, 12,以前的中子散射实验显示,当超导态建立时,静态三维反铁磁序被强烈地抑制 13.然而,即使对最佳掺杂的NCCO(Tc= 25K)也仍然存在着静态反铁磁序 14. 而对于同样是电子型掺杂的Pr1- x LaCexCuO4- D(PLCCO), LSR15和中子衍射的结果16, 17都表明,静态反铁磁序在 PLCCO被退火到最佳超导电性时即不再存在,如图 1(e)的相图所示.在中间掺杂区域,存在着二维的公度 SDW,和空穴掺杂材料中的非公度 SDW相似.因此,铜氧化合物中反铁磁到超导的转变存在着一个中间过程,在此期间,材料内部形成了一种微观(或介观)的不均匀状态.3 自旋激发随空穴浓度增加的演化尽管高温超导体母体的反铁磁自旋结构,例如La
