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中国科学院物理研究所 SC2组供稿 第16期 2015年05月22日
北京凝聚态物理国家实验室
唯一尖晶石氧化物超导体的最新认识
  LiTi2O4(LTO)是迄今发现的唯一具有尖晶石结构的氧化物超导体,它的超导电性主要受Ti原子的3d电子支配。目前没有高质量的LTO单晶,多晶样品上获得的比热数据以及Andreev反射谱表现出传统BCS电-声相互作用超导体的实验特征,但软X射线散射和核磁共振等测量发现该体系中存在较强的电子-电子关联。那么是否类似于其它高温超导体,自旋/轨道涨落在LTO超导机制中也扮演重要的角色?
  LTO的另一个典型特征是它的Ti原子晶格基本单元呈四面体构型,不利于长程反铁磁序的出现。而大家所熟悉的铜基、铁基超导材料中通常是破坏了长程序后获得较高的超导转变温度。因此,对LTO的深入研究从某种意义上说是对铜基、铁基等高温超导体的一个有效补充,有利于全面认识3d电子在超导电性中所起的作用。
  最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室SC2金魁课题组和马里兰大学Takeuchi教授组合作,利用脉冲激光镀膜技术在 (001)- Mg Al2 O4基片上制备出高质量的LTO单晶薄膜,并全面研究了磁场下电输运特性和点接触隧道谱。
  在正常态,首次发现在50 K以下LTO表现出明显各向异性的正磁阻,而在50 K以上则表现为趋于各向同性的负磁阻。若沿着面内转动磁场,发现其面内磁电阻在100 K以下出现二重性,并且该二重性的强度在50 K左右存在一个跳变。异常的磁阻行为必然伴随着不同因素间的竞争。在LTO体系中存在着轨道相关序和自旋轨道涨落之间的竞争:磁化率结果进一步支持100 K以下由自旋涨落占主导,磁场压制涨落导致负磁电阻;50 K以下轨道相关序占优势,增大磁场导致正磁电阻。在超导态,隧道谱研究首次给出了LTO超导能隙随磁场平方线性减小,以前的理论模型没有预测该规律。然而,如果LTO中存在电子态的对称破缺,基于GL理论能够得出能隙和磁场平方的依赖关系。这进一步支持50 K以下轨道相关序的存在(如图1所示)。
  目前,主流观点认为铜氧化物高温超导起源于自旋涨落,而在LTO体系中自旋涨落相区远离超导区,这可能是导致LTO中并没有观察到高温超导电性的原因。共同参与完成本工作的还有超导室单磊研究员,拉夫堡大学的理论工作者Kusmartsev教授以及马里兰大学的Greene教授小组。该工作的部分结果发表在Nature Communications 6, 7183(2015)上,并得到国家自然科学基金委员会和科学院B类先导专项的支持。
 
图1 LTO超导体温度-磁场最新相图。
下载附件>> Nature Communications, 6, 7183(2015)-SC2.pdf
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