Singular spin fluctuations in the strange-metal phase of La2-xSrxCuO4

通过采用高磁场和针对电子不均匀性定制的核磁共振方案，本研究揭示出由于空间不均匀的纳米尺度电子态，奇异金属相La2-xSrxCuxCuO4（x=0.25）的过掺杂区域中持续存在单一的量子临界自旋涨落，这一发现挑战了此类涨落仅局限于自旋条纹临界掺杂的传统观点。

要点

想象一群舞者在地板上起舞。在普通金属（如铜线）中，这些舞者以可预测、有序的方式移动，偶尔相互碰撞。但在“奇异金属”中——这是一种存在于某些超导体中的神秘状态——舞者们以一种混乱却完美同步的混沌方式移动，其运动阻力（电阻率）随着房间变冷而以非常奇特、线性的方式发生变化。科学家们一直试图弄清楚为什么他们会这样起舞。

长期以来，许多人怀疑舞者们是对看不见的“自旋涨落”——即磁取向中微小、有节奏的颤动——做出反应。然而，在发生“奇异金属”行为的舞池特定区域（称为过掺杂区），先前的测量表明这些磁颤动太微弱，不足以引发这种混乱。这就像试图通过观察微风来解释飓风。

新发现：调大音量

本文报道了一项突破，即在一种名为 La2−xSrxCuO4（LSCO）的特定材料中观察到了这些颤动。研究人员面临两个主要问题：

1. 超导性：在低温下，舞者通常停止混乱移动，转而开始无摩擦地完美滑行（超导性）。这掩盖了“奇异金属”行为。
2. 错误的镜头：先前用于测量磁颤动的工具（观察铜原子）被混乱“致盲”，完全错过了信号。

为了解决这些问题，团队使用了巨大的磁场（26 特斯拉，约为冰箱磁铁强度的 50 万倍）。这就像一个巨大的“暂停按钮”，迫使舞者停止滑行，重新开始混乱移动，从而揭示出潜在的奇异金属状态。

他们还更换了“相机镜头”。他们没有观察那些过于抖动且丢失信号的铜原子，而是观察了镧原子。这些原子就像一个更稳定、广角镜头，能够看清整个舞池而不致混淆。

他们的发现

当他们在这个巨大磁场下透过新镜头观察时，看到了令人惊讶的景象：

• 颤动爆发：随着温度降至接近绝对零度，低能磁颤动并未消失；相反，它们变得越来越强，几乎无限增强。
• 悖论：这种磁活动的爆发发生在科学家认为“条纹”图案（有序的磁线）已经消失的舞池区域。这就像在你以为音乐家已经离开的房间里，听到一支庞大的管弦乐队正在演奏渐强乐章。

隐藏的线索：拼凑的地板

数据还显示，舞池并非均匀一致。

• 拉伸效应：舞者恢复秩序的方式并非处处相同。地板的某些部分非常活跃，而其他部分则较为平静。
• 解释：研究人员提出，地板实际上是由微小水坑拼凑而成的。在某些小水坑中（约占地板的 25-30%），局部条件仍然非常适合磁条纹存在并剧烈颤动。而在地板的其他部分，条纹已经消失。
• 类比：想象一大群人，大多数人只是随机行走，但有一些隐蔽的小角落正在发生骚乱。如果你从远处观察整个人群，可能会错过这些骚乱。但如果你拥有一台能看见骚乱“热度”的特殊相机，你就会意识到，整个人群的混乱行为实际上是由这些隐藏的剧烈活动区域驱动的。

为何重要

这项研究表明，“奇异金属”行为并非整个材料的谜团，而是这些微小的、隐藏的剧烈磁活动区域（量子临界涨落）的结果，即使材料被重掺杂，这些区域依然存在。它提供了一个新的、具体的证据，证明这些磁颤动确实是驱动这些材料奇异电学特性的引擎，解决了困扰物理学家数十年的谜题。

简而言之：通过使用巨大磁铁阻止超导性，并利用更好的“相机”观察细节，科学家们发现，奇异金属行为是由先前不可见的、强烈的隐藏磁颤动所驱动的。

技术摘要

技术摘要：La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$奇异金属相中的奇异自旋涨落

问题陈述
空穴掺杂铜氧化物在过掺杂区域（$p > p^* \approx 0.2$）的电子基态仍是一个核心的未解之谜。该区域存在一个扩展的“奇异金属”相，其特征是电阻率随温度（$T$）线性变化，直至最低温度。尽管自旋涨落被认为是导致这一行为的主要候选机制，但此前缺乏令人信服的证据。先前的核磁共振（NMR）研究表明，低能动力学自旋磁化率 $\chi''(q, \omega)$ 过弱，不足以解释线性电阻率。此外，这些涨落的温度、能量和掺杂依赖性尚未得到完全表征，特别是在赝能隙临界点 $p^*$ 以上。一个具体的挑战在于，由于超导性的持续存在以及强自旋关联下 NMR 信号灵敏度可能丧失（信号“抹除”），难以在低温下获取本征正常态。

方法论
为了解决这些局限性，作者利用高磁场和定制的 NMR 协议研究了 La$_{1.75}$Sr$_{0.25}$CuO$_4$（$x = 0.25$）：

• 高磁场： 实验在高达 26 T 的磁场下进行，磁场方向垂直于 CuO$_2$ 平面。该磁场强度与该掺杂水平下的上临界场（$B_{c2}$）相当，有效地抑制了超导性，从而得以进入出现奇异金属行为的低温正常态。
• 同位素选择（$^{139}$La 与 $^{63}$Cu）： 本研究采用了 $^{139}$La NMR 而非传统的 $^{63}$Cu NMR。作者证明，由于自旋 - 自旋弛豫时间（$T_2$）短和自旋动力学不均匀，$^{63}$Cu NMR 在低温下会出现严重的信号丢失和“抹除”效应，使其无法可靠地定量探测该区域低温下的自旋动力学。相比之下，$^{139}$La 具有更长的 $T_2$ 和更弱的超精细耦合，提供了一个稳健的探针。
• 弛豫测量： 测量了 $^{139}$La 的自旋 - 晶格弛豫率（$1/T_1$）。在 $\omega \to 0$ 的极限下，量 $1/T_1T$ 正比于动力学自旋磁化率 $\chi''(q, \omega)/\omega$ 的低频斜率。
• 非均匀性分析： 使用拉伸指数函数分析核磁化强度的恢复，以提取拉伸指数 $\beta$，该指数唯象地解释了 $T_1$ 值的分布，表明存在空间非均匀性。

关键结果

1. 自旋磁化率的奇异发散： 在 26 T 下，$^{139}$La 的 $1/T_1T$ 随温度降低单调增加，直至 1.34 K 的基温，未显示出饱和迹象。数据既可以用居里 - 外斯形式（具有非常小的外斯温度 $\theta \approx -4.6$ K）描述，也可以用幂律（$1/T_1T \propto T^{-(1+\alpha)}$，其中 $\alpha \approx -0.67$）描述。两种拟合均暗示当 $T \to 0$ 时，$\chi''(q, \omega \to 0)$ 是发散的或近乎发散的。
2. 磁场依赖性： 在 20 T 下，其行为与 26 T 下无法区分。在 15 T 下，低温下的增加较弱，导致更大的外斯温度（$\theta \approx -20$ K），这表明残余的超导关联在较低磁场下抑制了本征发散。
3. 空间非均匀性： 磁化强度恢复曲线偏离单指数，需要 $\beta < 1$ 的拉伸指数。这种偏离始于 $\sim 100$ K 以下，并在低温下变得与磁场无关。双组分拟合揭示了两个截然不同的弛豫率，相差五倍，其中较快（磁性更强）的组分约占样品体积的 25–30%。这表明自旋动力学在空间上是不均匀的，可能源于纳米尺度的电子非均匀性，其中局部掺杂变化形成了掺杂水平接近或低于 $p^*$ 的“液滴”。
4. 排除态密度效应： 观察到的温度依赖性不能仅由态密度（DOS）中的范霍夫奇点来解释，因为推断出的 DOS 变化对应于与样品（$p=0.25$）不同的掺杂水平（$p \approx 0.22$），且静态磁化率并未显示出预期的范霍夫特征。

意义与主张
该论文声称提供了 LSCO 过掺杂奇异金属相中“迄今为止隐藏”的奇异低能自旋涨落的直接证据。其意义体现在四个方面：

1. 方法论突破： $\chi''$ 的强烈增强此前未被检测到，是因为先前的研究未使用足够高的磁场，且依赖于 $^{63}$Cu NMR，而由于信号抹除，$^{63}$Cu NMR 在该区域对这些涨落不敏感。
2. 直接关联： 这种发散是在观察到线性电阻率的完全相同条件（掺杂、温度、磁场）下的场致正常态中确立的，消除了从零场数据外推的需要。
3. 量子临界性： $\chi''(q, \omega \to 0)$ 的奇异行为暗示了量子临界动力学。虽然作者并未声称证明奇异金属性就是量子临界的，但他们提出这些涨落是线性电阻率的一个合理的微观起源，因为它们是在相同条件下被观察到的。
4. 非均匀性的作用： 空间非均匀性的观察表明，纳米尺度的电子变化可能是解释在名义自旋条纹临界掺杂（$x \approx 0.19$）之外观察到类量子临界涨落这一明显悖论的基础。作者提出，即使在体掺杂较高时，由于自旋条纹无法在局部区域（$p_{loc} \lesssim p^*$）冻结，可能导致持续的类量子临界动力学。

作者得出结论，这些观察结果为奇异金属态的微观描述提供了定量基准，并强调了在不同掺杂水平和铜氧化物家族的未来研究中表征空间非均匀性的必要性。