物質(zhì)學(xué)院柳學(xué)榕教授課題組利用同步輻射漫散射實(shí)驗(yàn)技術(shù)，定量表征了銅基超導(dǎo)體La_2-xSr_xCuO₄中摻雜引起的局域亞埃級(jí)微小晶格應(yīng)變，從而首次明確了晶格非均勻應(yīng)力不是銅基超導(dǎo)體能隙不均勻性行為的成因。近日，相關(guān)成果以“Quantitative Characterization of the Nanoscale Local Lattice Strain Induced by Sr Dopants in La_2-xSr_xCuO₄”為題，發(fā)表在物理學(xué)旗艦期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

銅基超導(dǎo)體中的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象是凝聚態(tài)關(guān)聯(lián)電子體系研究中的桂冠。30年來(lái)，隨著研究不斷深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米的微觀(guān)尺度上，銅基超導(dǎo)體的贗能隙、超導(dǎo)能隙都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間不均勻性。對(duì)這種不均勻性起源的理解是描述銅基超導(dǎo)體宏觀(guān)輸運(yùn)行為的基礎(chǔ)。盡管在理論上，向一個(gè)莫特絕緣體引入載流子可能會(huì)自發(fā)導(dǎo)致電荷相分離，但在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)納米尺度上電荷不均勻性和雜質(zhì)離子的空間分布相關(guān)。摻雜離子不僅向銅氧層貢獻(xiàn)載流子，而且自然地會(huì)對(duì)局域電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微擾。一般而言，微擾存在三種形式：雜質(zhì)離子的局域勢(shì)，原胞內(nèi)近鄰的原子位置偏移，和伴隨的納米尺度晶格應(yīng)變。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其中一種微擾形式——納米尺度的晶格應(yīng)變，進(jìn)行定量表征。當(dāng)晶體中原子位置受到熱擾動(dòng)或雜質(zhì)引起的應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)，偏離其原先處于的周期位置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)漫散射，分別叫做熱漫散射(TDS)和黃昆漫散射(HDS)。

X射線(xiàn)散射是表征材料晶格周期性的重要手段，并對(duì)微小應(yīng)變極為敏感。眾所周知，一個(gè)完美的晶格對(duì)應(yīng)δ函數(shù)形貌的X射線(xiàn)布拉格峰。而當(dāng)晶格中存在畸變而偏離完美周期時(shí)，會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)漫散射，在晶體布拉格峰附近產(chǎn)生特殊的微弱散射尾巴，稱(chēng)為以我國(guó)著名物理學(xué)家命名的黃昆漫散射(HDS)。研究團(tuán)隊(duì)選取La_2-xSr_xCuO₄(LSCO), x=0.08的樣品，在溫度為7K時(shí)，測(cè)量(0 022)和(2022)布拉格峰附近的漫散射(圖1)。這些存在明顯峰和谷的漫散射圖案是HDS的典型特征。他們發(fā)現(xiàn)，這樣的漫散射強(qiáng)度分布可以很好地用連續(xù)彈性介質(zhì)理論描述，并定量地重構(gòu)了摻雜離子附近納米區(qū)域內(nèi)的晶格應(yīng)變(圖2)。重構(gòu)結(jié)果顯示，最大的應(yīng)變?cè)?.001?量級(jí)，位于雜質(zhì)原子周?chē)蠹s1納米處，當(dāng)遠(yuǎn)離雜質(zhì)原子時(shí)，應(yīng)變迅速變小一個(gè)量級(jí)。這樣的局域應(yīng)變太小，不可能是銅基超導(dǎo)體能隙不均勻性行為的成因。

銅基超導(dǎo)體的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象是一個(gè)極為重要的性質(zhì)，并已被應(yīng)用在我們生活的方方面面，比如超導(dǎo)輸電線(xiàn)等。但其物理機(jī)制在經(jīng)過(guò)30多年全世界物理學(xué)家的努力后，仍然是一個(gè)謎。此次工作首次在10^-13米量級(jí)定量地表征了La_2-xSr_xCuO₄中的局域應(yīng)變，為進(jìn)一步理解銅基超導(dǎo)體中納米尺度上贗能隙，超導(dǎo)能隙的空間不均勻性?huà)叱艘粋€(gè)重要障礙。

該論文中，上海科技大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)生、博士研究生林佳琪為第一作者，柳學(xué)榕為通訊作者。該研究主要得到了科技部、上科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、中科院的大力支持。該工作的實(shí)驗(yàn)部分在美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源完成。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.197001

圖1：(0 022)和(2022)布拉格峰附近的漫散射圖案。a-c：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，d-f：考慮熱擾動(dòng)和HDS計(jì)算得到的漫散射圖案，參數(shù)是從擬合結(jié)果中提取。測(cè)量溫度為7K。

圖2:重構(gòu)的應(yīng)變圖案在ab面(上半部分)，bc面(下半部分)上的分布形貌。雜質(zhì)原子處于原點(diǎn)。R的單位為單個(gè)原胞。U_a,b,c是應(yīng)變矢量U(R)在a,b,c方向的分量。