Emergent coherence and percolative transport at the edge of magnetism in low-doped La2-xSrxCuO4+δ

Автор(и)

  • E. Yu. Beliayev B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine https://orcid.org/0000-0001-6991-1345
  • Y. K. Mishra Smart Materials Group, Mads Clausen Institute, University of Southern Denmark, Sønderborg 6400, Denmark https://orcid.org/0000-0002-8786-9379
  • I. A. Chichibaba National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv 61002, Ukraine https://orcid.org/0000-0002-8985-1113
  • I. G. Mirzoiev B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine https://orcid.org/0000-0001-5802-875X
  • V. A. Horielyi B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine https://orcid.org/0009-0000-6067-7927
  • A. V. Terekhov B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044250

Ключові слова:

high-Tc cuprates, antiferromagnetism, granular superconductivity, phase separation, transport properties, La2-xSrxCuO4 δ

Анотація

Система La2-xSrxCuO4+δ (LSCO) є універсальною експериментальною платформою для дослідження взаємодії магнетизму, надпровідності та невпорядкованості в легованих купратах у широкому діапазоні концентрацій носіїв заряду. Дослідження транспортних властивостей у слабко легованих та збагачених киснем зразках LSCO виявляють ізоляційний характер провідності, що визначається механізмом стрибкового переносу зі змінною довжиною стрибка, який супроводжується вираженою нелінійністю вольт-амперних характеристик і, за низьких температур, появою від’ємного диференційного опору, індукованого струмом. З підвищенням рівня легування ці особливості поступово еволюціонують у режими, що характеризуються гранулярною та перколяційною надпровідністю поблизу порогу перколяції, зрештою, переходячи до однорідного аномального металевого стану (strange metal) при оптимальному легуванні. У ході цієї еволюції транспортні властивості демонструють високу чутливість до стехіометричної невпорядкованості, електронної неоднорідності та зовнішніх параметрів, таких як вимірювальний струм та магнітне поле. Спостережувана послідовність транспортних режимів може бути розглянута як безперервний кросовер від моттівського ізоляційного стану до гранулярної надпровідності і далі до когерентного металевого стану, який зумовлений поступовим посиленням електронного екранування, взаємодії між провідними областями та надпровідної зв’язності, а не різкими змінами мікроскопічних механізмів розсіяння. У сукупності наявні транспортні дані формують узгоджену експериментальну основу для обговорення ролі невпорядкованості та мезоскопічної неоднорідності у формуванні транспортних властивостей і надпровідності на всій фазовій діаграмі LSCO, підкреслюючи важливість перколяційних і нерівноважних ефектів у неоптимально легованих купратах. У роботі раніше опубліковані результати транспортних і магнітотранспортних досліджень LSCO переосмислюються в рамках єдиної феноменологічної моделі, що акцентує увагу на невпорядкованості, мезоскопічній неоднорідності, перколяційній зв’язаності та нерівноважному перенесенні заряду в межах всієї фазової діаграми.

Посилання

1. C. Y. Chen, R. J. Birgeneau, M. A. Kastner, N. W. Preyer, and T. Thio, “Frequency and magnetic-field dependence of the dielectric constant and conductivity of La2CuO4+δ,” Phys. Rev. B 43, 392 (1991). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.43.392

2. M. Reehuis, C. Ulrich, K. Prokeš, A. Gozar, G. Blumberg, S. Komiya, Y. Ando, P. Pattison, and B. Keimer, “Crystal structure and high-field magnetism of La2CuO4,” Phys. Rev. B 73, 144513 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.144513

3. F. C. Chou and D. C. Johnston, “Phase separation and oxygen diffusion in electrochemically oxidized La2CuO4+δ: A static magnetic susceptibility study,” Phys. Rev. B 54, 572 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.572

4. J. M. Tranquada, J. D. Axe, N. Ichikawa, A. R. Moodenbaugh, Y. Nakamura, and S. Uchida, “Coexistence of and competition between superconductivity and charge-stripe order in La1.6−xNd0.4SrxCuO4,” Phys. Rev. Lett. 78, 338 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.338

5. H. E. Mohottala, B. O. Wells, J. I. Budnick, W. A. Hines, C. Niedermayer, L. Udby, C. Bernhard, A. R. Moodenbaugh, and F. Chou, “Phase separation in superoxygenated La2–xSrxCuO4+δ,” Nat. Mater. 5, 377 (2006). https://doi.org/10.1038/nmat1633

6. Z. G. Li, H. H. Feng, Z. Y. Yang, A. Hamed, S. T. Ting, P. H. Hor, S. Bhavaraju, J. F. DiCarlo, and A. J. Jacobson, “Carrier-controlled doping efficiency in La2CuO4+δ,” Phys. Rev. Lett. 77, 5413 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.5413

7. M. A. Kastner, R. J. Birgeneau, G. Shirane, and Y. Endoh, “Magnetic, transport, and optical properties of monolayer copper oxides,” Rev. Mod. Phys. 70, 897 (1998). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.70.897

8. C. Niedermayer, C. Bernhard, T. Blasius, A. Golnik, A. Moodenbaugh, and J. I. Budnick, “Common phase diagram for antiferromagnetism in La2−xSrxCuO4 and Y1–xCaxBa2Cu3O6 as seen by muon spin rotation,” Phys. Rev. Lett. 80, 3843 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.3843

9. H. Takagi, B. Batlogg, H. L. Kao, J. Kwo, R. J. Cava, J. J. Krajewski, and W. F. Peck, “Systematic evolution of temperature-dependent resistivity in La2–xSrxCuO4,” Phys. Rev. Lett. 69, 2975 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.2975

10. Y. Ando, Y. Kurita, S. Komiya, S. Ono, and K. Segawa, “Evolution of the Hall coefficient and the peculiar electronic structure of the cuprate superconductors,” Phys. Rev. Lett. 92, 197001 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.197001

11. B. I. Belevtsev, N. V. Dalakova, A. S. Panfilov, and E. Y. Beliayev, “Anomalies of conductivity behavior near the paramagnetic-antiferromagnetic transition in single-crystals La2CuO4+δ,” Phys. B Condens. Matter 405, 1307 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physb.2009.11.074

12. B. I. Belevtsev, N. V. Dalakova, and A. S. Panfilov, “Superconductivity effects in hopping conductivity of single-crystal La2CuO4 with excess oxygen,” Phys. C Supercond. 282–287, 1223 (1997). https://doi.org/10.1016/S0921-4534(97)00798-3

13. B. I. Belevtsev, N. V. Dalakova, and A. S. Panfilov, “Superconductivity effects in hopping conductivity of La2CuO4 single crystal with excess oxygen,” Low Temp. Phys. 23, 274 (1997) [Fiz. Nizk. Temp. 23, 375 (1997)]. https://doi.org/10.1063/1.593396

14. P. M. Singer, A. W. Hunt, and T. Imai, “63Cu NQR evidence for spatial variation of hole concentration in La2–xSrxCuO4,” Phys. Rev. Lett. 88, 047602 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.047602

15. C. J. Lobb, D. W. Abraham, and M. Tinkham, “Theoretical interpretation of resistive transition data from arrays of superconducting weak links,” Phys. Rev. B 27, 150 (1983). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.150

16. X. Shi, D. Popović, C. Panagopoulos, G. Logvenov, A. T. Bollinger, and I. Božović, “History dependent magnetoresistance in lightly doped La2−xSrxCuO4 thin films,” Phys. B Condens. Matter 407, 1915 (2012). https://doi.org/10.1016/j.physb.2012.01.063

17. G. Venditti, J. Biscaras, S. Hurand, N. Bergeal, J. Lesueur, A. Dogra, R. C. Budhani, M. Mondal, J. Jesudasan, P. Raychaudhuri, S. Caprara, and L. Benfatto, “Nonlinear I–V characteristics of two-dimensional superconductors: Berezinskii–kosterlitz–thouless physics versus inhomogeneity,” Phys. Rev. B 100, 064506 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.064506

18. R. A. Cooper, Y. Wang, B. Vignolle, O. J. Lipscombe, S. M. Hayden, Y. Tanabe, T. Adachi, Y. Koike, M. Nohara, H. Takagi, C. Proust, and N. E. Hussey, “Anomalous criticality in the electrical resistivity of La2–xSrxCuO4,” Science 323, 603 (2009). https://doi.org/10.1126/science.1165015

19. C. Proust, B. Vignolle, J. Levallois, S. Adachi, and N. E. Hussey, “Fermi liquid behavior of the in-plane resistivity in the pseudogap state of YBa2Cu4O8,” Proc. Natl. Acad. Sci. 113, 13654 (2016). https://doi.org/10.1073/pnas.1602709113

20. L. Li, Y. Wang, S. Komiya, S. Ono, Y. Ando, G. D. Gu, and N. P. Ong, “Diamagnetism and cooper pairing above Tc in cuprates,” Phys. Rev. B 81, 054510 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.054510

21. V. J. Emery and S. A. Kivelson, “Importance of phase fluctuations in superconductors with small superfluid density,” Nature 374, 434 (1995). https://doi.org/10.1038/374434a0

22. J. Corson, R. Mallozzi, J. Orenstein, J. N. Eckstein, and I. Bozovic, “Vanishing of phase coherence in underdoped Bi2Sr2CaCu2O8+δ,” Nature 398, 221 (1999). https://doi.org/10.1038/18402

23. S. H. Pan, J. P. O’Neal, R. L. Badzey, C. Chamon, H. Ding, J. R. Engelbrecht, Z. Wang, H. Eisaki, S. Uchida, A. K. Gupta, K.-W. Ng, E. W. Hudson, K. M. Lang, and J. C. Davis, “Microscopic electronic inhomogeneity in the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x,” Nature 413, 282 (2001). https://doi.org/10.1038/35095012

24. K. M. Lang, V. Madhavan, J. E. Hoffman, E. W. Hudson, H. Eisaki, S. Uchida, and J. C. Davis, “Imaging the granular structure of high-Tc superconductivity in underdoped Bi2Sr2CaCu2O8+δ,” Nature 415, 412 (2002). https://doi.org/10.1038/415412a

25. L. G. Aslamasov and A. I. Larkin, “The influence of fluctuation pairing of electrons on the conductivity of normal metal,” Phys. Lett. A 26, 238 (1968). https://doi.org/10.1016/0375-9601(68)90623-3

26. K. Maki, “The critical fluctuation of the order parameter in type-II superconductors,” Prog. Theor. Phys. 39, 897 (1968). https://doi.org/10.1143/PTP.39.897

27. R. S. Thompson, “Microwave, flux flow, and fluctuation resistance of dirty type-II superconductors,” Phys. Rev. B 1, 327 (1970). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.1.327

28. Y. Ando, S. Komiya, K. Segawa, S. Ono, and Y. Kurita, “Electronic phase diagram of high-Tc cuprate superconductors from a mapping of the in-plane resistivity curvature,” Phys. Rev. Lett. 93, 267001 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.267001

29. T. Ito, K. Takenaka, and S. Uchida, “Systematic deviation from T-linear behavior in the in-plane resistivity of YBa2Cu3O7−y: Evidence for dominant spin scattering,” Phys. Rev. Lett. 70, 3995 (1993). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.3995

30. B. I. Belevtsev, N. V. Dalakova, V. N. Savitsky, A. S. Panfilov, I. S. Braude, and A. V. Bondarenko, “Magnetoresistive study of the antiferromagnetic–weak ferromagnetic transition in single-crystal La2CuO4+δ,” Low Temp. Phys. 30, 411 (2004) [Fiz. Nizk. Temp. 30, 551 (2004)]. https://doi.org/10.1063/1.1739162

31. N. V. Dalakova, B. I. Belevtsev, E. Y. Beliayev, Y. A. Kolesnichenko, A. S. Panfilov, and I. S. Braude, “Effect of magnetic (phase) inhomogeneities on the conductivity of an antiferromagnetic La2CuO4+d single crystal at low temperatures,” Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 72, 1149 (2008). https://doi.org/10.3103/S1062873808080376

32. N. V. Dalakova, E. Y. Beliayev, Y. A. Savina, O. I. Yuzephovich, S. V. Bengus, and N. P. Bobrysheva, “Effect of composition disorder in a system of superconducting granules on the superconducting properties of La2–xSrxCuO4 ceramic samples,” Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 82, 811 (2018). https://doi.org/10.3103/S106287381807016X

33. N. V. Dalakova, B. I. Belevtsev, E. Y. Beliayev, A. S. Panfilov, and N. P. Bobrysheva, “Suppression of antiferromagnetic order in low-dopped ceramic samples La2–xSrxCuO4,” arXiv:1403.0456 (2014).

34. N. V. Dalakova, B. I. Belevtsev, E. Y. Belyaev, A. S. Panfilov, N. P. Bobrysheva, and A. A. Selyutin, “Low-temperature nonlinear effects in the conductivity of lightly doped cuprates La2–xSrxCuO4 in antiferromagnetic state,” Low Temp. Phys. 40, 397 (2014) [Fiz. Nizk. Temp. 40, 513 (2014)]. https://doi.org/10.1063/1.4881175

35. N. V. Dalakova, B. I. Belevtsev, E. Yu. Beliayev, Yu. A. Savina, O. I. Yuzephovich, S. V. Bengus, and N. P. Bobrysheva, “Superconductivity in La1.85 Sr0.15CuO4 ceramic samples,” arXiv:2505.12150 (2025).

36. N. V. Dalakova, B. I. Belevtsev, N. P. Bobrysheva, A. S. Panfilov, E. Y. Beliayev, and A. A. Selyutin, “Resistive properties of La2−xSrxCuO4 low-dopped cuprates in the antiferromagnetic state at low temperatures,” Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 76, 1139 (2012). https://doi.org/10.3103/S1062873812100036

37. A. Malinowski, M. Cieplak, M. Berkowski, and S. Guha, “Negative magnetoresistance in the variable-range-hopping transport of strongly underdoped La2–xSrxCuO4,” Acta Phys. Pol. A 109, 611 (2006). https://doi.org/10.12693/APhysPolA.109.611

38. B. I. Shklovskii and A. L. Efros, Electronic Properties of Doped Semiconductors (Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 1984).

39. B. I. Shklovskii, “Half-century of efros–shklovskii Coulomb gap: Romance with Coulomb interaction and disorder,” Low Temp. Phys. 50, 1101 (2024) [Fiz. Nizk. Temp. 50, 1226 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0034343

40. S. Ono, S. Komiya, A. N. Lavrov, Y. Ando, F. F. Balakirev, J. B. Betts, and G. S. Boebinger, “Spin reorientation and in-plane magnetoresistance of lightly doped La2−xSrxCuO4 in magnetic fields up to 55 T,” Phys. Rev. B 70, 184527 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.184527

41. M. Z. Cieplak, A. Malinowski, S. Guha, and M. Berkowski, “Localization and interaction effects in strongly underdoped La2–xSrxCuO4,” Phys. Rev. Lett. 92, 187003 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.187003

42. J. D. Jorgensen, B. Dabrowski, S. Pei, D. G. Hinks, L. Soderholm, B. Morosin, J. E. Schirber, E. L. Venturini, and D. S. Ginley, “Superconducting phase of La2CuO4+d: A superconducting composition resulting from phase separation,” Phys. Rev. B 38, 11337 (1988). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.38.11337

43. N. Poccia, M. Chorro, A. Ricci, W. Xu, A. Marcelli, G. Campi, and A. Bianconi, “Percolative superconductivity in La2CuO4.06 by lattice granularity patterns with scanning micro x-ray absorption near edge structure,” Appl. Phys. Lett. 104, 221903 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4879286

44. E. J. Opila, H. L. Tuller, B. J. Wuensch, and J. Maier, “Oxygen diffusion in La2−xSrxCuO4−y,” MRS Proc. 209, 795 (1990). https://doi.org/10.1557/PROC-209-795

45. Y. Ando, G. S. Boebinger, A. Passner, T. Kimura, and K. Kishio, “Logarithmic divergence of both in-plane and out-of-plane normal-state resistivities of superconducting La2–xSrxCuO4 in the zero-temperature limit,” Phys. Rev. Lett. 75, 4662 (1995). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.4662

46. D. Pelc, M. Vučković, M. S. Grbić, M. Požek, G. Yu, T. Sasagawa, M. Greven, and N. Barišić, “Emergence of superconductivity in the cuprates via a universal percolation process,” Nat. Commun. 9, 4327 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06707-y

47. G. S. Boebinger, Y. Ando, A. Passner, T. Kimura, M. Okuya, J. Shimoyama, K. Kishio, K. Tamasaku, N. Ichikawa, and S. Uchida, “Insulator-to-metal crossover in the normal state of La2−xSrxCuO4,” Phys. Rev. Lett. 77, 5417 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.5417

48. J. A. N. Bruin, H. Sakai, R. S. Perry, and A. P. Mackenzie, “Similarity of scattering rates in metals showing T-linear resistivity,” Science 339, 804 (2013). https://doi.org/10.1126/science.1227612

49. E. Y. Beliayev, Y. K. Mishra, H.-G. Rubahn, I. A. Chichibaba, I. G. Mirzoiev, V. A. Horielyi, V. V. Andriievskyi, and A. V. Terekhov, “Electron transport in compacted VO2 nanopowders: Variable-range hopping vs percolation behavior,” Low Temp. Phys. 51, 1217 (2025) [Fiz. Nizk. Temp. 51, 1349 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0039363

50. P. Contreras, D. Osorio, and E. Y. Beliayev, “Dressed behavior of the quasiparticles lifetime in the unitary limit of two unconventional superconductors,” Low Temp. Phys. 48, 187 (2022) [Fiz. Nizk. Temp. 48, 211 (2022)]. https://doi.org/10.1063/10.0009535

51. I. Iguchi, T. Yamaguchi, and A. Sugimoto, “Diamagnetic activity above Tc as a precursor to superconductivity in La2–xSrxCuO4 thin films,” Nature 412, 420 (2001). https://doi.org/10.1038/35086540

Downloads

Опубліковано

2026-05-27

Як цитувати

(1)
E. Yu. Beliayev, Y. K. Mishra, I. A. Chichibaba, I. G. Mirzoiev, V. A. Horielyi, and A. V. Terekhov, Emergent coherence and percolative transport at the edge of magnetism in low-doped La2-xSrxCuO4+δ, Low Temp. Phys. 52, 784–800, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 874–892, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044250.

Номер

Том 52 № 7 (2026)

Розділ

Оглядова стаття

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.