利用扫描SQUID显微镜研究Bi2212的局部磁响应

不同物质状态下的相变，例如气体凝结成液体或从普通金属到超导状态的转变，可以使用金兹堡-朗道对称破缺理论来描述。然而，这样的理论对于二维极限内的相变不再有效。

二维相变是由被称为Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相变的拓扑缺陷驱动的(Kosterlitz和Thouless因这一发现于2016年荣获诺贝尔物理学奖)。超导系统中的拓扑缺陷称为涡流。对于低温下无限大二维超导系统，涡量相反的涡反涡对束缚在一起，系统处于稳定的超导状态。

随着温度升高，涡-反涡对因热波动而变得不稳定，涡-反涡对之间的吸引力逐渐减弱，直至分离成自由涡和反涡。这个过程导致BKT相变。

这种转变的确凿证据是转变温度下超流体密度的跳跃。然而，二维极限中涡旋的特征尺寸明显大于三维空间中的特征尺寸。当样本大小接近涡流的特征大小时(或者当样本具有不均匀性时)，它将抹掉超流体密度的跳跃。这使得确定实际样品中二维超导体的BKT相变变得非常具有挑战性。

铜酸盐高温超导体，如具有层状结构的Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi2212)，作为非常规超导体已被广泛研究。这些材料中的电荷相关性和超导性之间的联系仍然是凝聚态物理学中的一个主要难题。最近成功制备出单层Bi2212。但常规测量技术尚未检测到这种二维超导体的任何BKT相变迹象。

相反，单层表现出与块体材料非常相似的特性，包括转变温度、赝能隙、电荷密度波等。这进一步使该系统中超导相变和电荷相关性之间的关系变得神秘。

因此，寻找单层Bi2212中BKT相变的证据并澄清跨维度超导相变之间的差异和联系对于理解这种材料非常重要。

复旦大学物理系与王一华教授、张远波教授和齐杨教授领导的研究团队合作，利用扫描SQUID显微镜研究了Bi2212从单层到厚层通过超导相变的局部磁响应。在单层中，磁化强度中的正顺磁峰出现在低于临界温度的温度范围内，并且峰位置随着穿过样品的磁通量以通量量子为单位而振荡。

这种现象被称为顺磁迈斯纳效应，发生在表现出迈斯纳效应的超导状态。此外，他们发现顺磁峰的宽度随着温度的升高而增加，一直持续到转变温度。这些特征表明关键区域具有稳定的相位相干性，并且由于涡旋-反涡旋对的分离而逐渐增强等离子体屏蔽效应，这与涡旋激发引起的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相变一致。

多层和厚层Bi2212中顺磁化率峰的出现表明，欠掺杂Bi2212的超导转变是具有层间耦合的广义BKT转变。该结果不仅确定了有限系统中BKT转变的重要磁特征，而且阐明了单层Bi2212和块体Bi2212超导转变之间的同源关系，为理解铜酸盐超导体欠掺杂区域的赝能隙提供了线索。

该工作以“欠掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+δ中的振荡顺磁迈斯纳效应和Berezinskii-Kosterlitz-Thouless转变”为题发表在《国家科学评论》上。

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