物理所合作研究取得對唯一尖晶石氧化物超導體的最新認識

 文章來源：物理研究所                                     發布時間：2015-05-22  

  LiTi2O4（LTO）是迄今發現的唯一具有尖晶石結構的氧化物超導體，它的超導電性主要受Ti原子的3d 電子支配。目前沒有高質量的LTO單晶，多晶樣品上獲得的比熱數據以及Andreev反射譜表現出傳統BCS電-聲相互作用超導體的實驗特征，但軟X射線散射和核磁共振等測量發現該體系中存在較強的電子-電子關聯。那么是否類似于其它高溫超導體，自旋/軌道漲落在LTO超導機制中也扮演重要的角色？

　　LTO的另一個典型特征是它的Ti原子晶格基本單元呈四面體構型，不利于長程反鐵磁序的出現。而大家所熟悉的銅基、鐵基超導材料中通常是破壞了長程序后獲得較高的超導轉變溫度。因此，對LTO的深入研究從某種意義上說是對銅基、鐵基等高溫超導體的一個有效補充，有利于全面認識3d電子在超導電性中所起的作用。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室金魁課題組和馬里蘭大學教授Takeuchi組合作，利用脈沖激光鍍膜技術在 (001)- Mg Al2 O4基片上制備出高質量的LTO單晶薄膜，并全面研究了磁場下電輸運特性和點接觸隧道譜。

　　在正常態，首次發現在50 K以下LTO表現出明顯各向異性的正磁阻，而在50 K以上則表現為趨于各向同性的負磁阻。若沿著面內轉動磁場，發現其面內磁電阻在100 K以下出現二重性，并且該二重性的強度在50 K左右存在一個跳變。異常的磁阻行為必然伴隨著不同因素間的競爭。在LTO體系中存在著軌道相關序和自旋軌道漲落之間的競爭：磁化率結果進一步支持100 K以下由自旋漲落占主導，磁場壓制漲落導致負磁電阻；50 K以下軌道相關序占優勢，增大磁場導致正磁電阻。在超導態，隧道譜研究首次給出了LTO超導能隙隨磁場平方線性減小，以前的理論模型沒有預測該規律。然而，如果LTO中存在電子態的對稱破缺，基于GL理論能夠得出能隙和磁場平方的依賴關系。這進一步支持50 K以下軌道相關序的存在（如圖所示）。

　　目前，主流觀點認為銅氧化物高溫超導起源于自旋漲落，而在LTO體系中自旋漲落相區遠離超導區，這可能是導致LTO中并沒有觀察到高溫超導電性的原因。共同參與完成該工作的還有超導室研究員單磊，拉夫堡大學教授、理論工作者Kusmartsev以及馬里蘭大學教授Greene小組。該工作的部分結果發表在Nature Communications 6, 7183(2015)上，并得到國家自然科學基金委員會和中科院B類先導專項的支持。