[論文レビュー] Coexistence of charged stripes and superconductivity in Bi2Sr2CaCu2O8+d

Craig Howald, Hiroshi Eisaki+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2002

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ゼロ磁場下におけるほぼ最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+δにおいて、静的で電荷を豊富に含むストライプと超伝導性が共存することを走査トンネル分光法（STS）を用いて示した。ストライプはCu-O結合に沿って整列しており、4つの格子定数ごとに周期的である。これらのストライプは局所密度状態（LDOS）に周期的モードを誘発し、超伝導ギャップの上にある状態を下にシフトさせる。これは、両現象に共通のエネルギースケールが存在することを示唆し、それらの起源が統一されている可能性を示している。

ABSTRACT

One of the most important outstanding problems in condensed matter physics is determination the ground state of strongly correlated electron system, in particular high-temperature superconductors (HTSC). For these materials, theoretical1-6 and experimental7-13 evidence has been mounting in support of the possibility that their ground state exhibits spin and charge density waves (SDW and CDW), which are primarily one-dimensional (i.e. stripes) and which either compete with or promote superconductivity. Coexistence of CDW or SDW and superconductivity has previously been reported in the lower Tc materials7-9,12,13 and in the presence of large magnetic fields10,11. The absence of data showing stripes in the higher Tc materials in zero field has lent support to the idea that stripes are competing with high temperature superconductivity. However, here we show, using scanning tunneling spectroscopy (STS), the existence of static striped density of electronic states in nearly optimally doped Bi2Sr2CaCu2O8+d in zero field. This modulation is aligned with the Cu-O bonds, with a periodicity of four lattice constants, and exhibits features characteristic of a two-dimensional system of line objects. We further show that the density of states modulation manifests itself as a shift of states from above to below the superconducting gap. The fact that a single energy scale (i. e., the gap) appears for both superconductivity and stripes suggests that these two effects have the same origin.

研究の動機と目的

• ゼロ磁場下における高温超伝導体のBi2Sr2CaCu2O8+δにおいて、電荷を帯びたストライプと超伝導性が共存するかどうかを特定すること。
• Bi2Sr2CaCu2O8+δにおける電荷およびスピンの周期的変調の空間的・電子的構造を調査すること。
• ストライプ秩序と超伝導性の関係を明確にすること、特に両者が競合するのか、それとも共通の起源を持つのかを解明すること。
• 高温超伝導体におけるストライプが競合的相であるのか、それとも出現的相であるのかという長年の議論を解決すること。

提案手法

• 走査トンネル分光法（STS）を用いて、Bi2Sr2CaCu2O8+δ表面の局所密度状態（LDOS）を原子スケールの空間分解能でマッピングした。
• 低温度（4.5 K）かつゼロ磁場下でSTS測定を実施し、磁場由来の影響を回避した。
• 電子構造における周期的変調を抽出するために、LDOSマップのフーリエ解析を適用した。
• LDOS変調のエネルギー依存性を分析し、超伝導ギャップとの関係を特定した。
• 変調の空間的周期性および方位をCu-O結合方向と比較し、ストライプの性質を確認した。
• LDOS変調のエネルギースケールを直接、超伝導ギャップと比較し、両者の共通の起源の可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロ磁場下で測定されたBi2Sr2CaCu2O8+δにおいて、電荷を帯びたストライプと超伝導性が共存するか？
• RQ2 この材料における電子密度変調の空間的周期性および方位は何か？
• RQ3 LDOS変調はエネルギー的および空間的に超伝導ギャップとどのように関係しているか？
• RQ4 ストライプ秩序のエネルギースケールが超伝導性と同じであるか。これは、両者の共通の起源を示唆するか？
• RQ5 観察された変調は、電荷ストライプに一致する静的で二次元的な線状欠陥の配列として解釈できるか？

主な発見

• ゼロ磁場下において、4つの格子定数ごとの周期性を示す電荷を豊富に含むストライプがBi2Sr2CaCu2O8+δで観測された。これは、外部磁場が存在しない高温超伝導体においてもストライプが存在することを確認した。
• ストライプはCu-O結合に沿って整列しており、基盤の結晶格子と強い結合を示している。
• LDOS変調は、超伝導ギャップの上にある電子状態が下にシフトする形で現れ、直接的な電子的結合を示している。
• ストライプ変調のエネルギースケールが超伝導ギャップエネルギーと一致しており、両現象に共通の起源がある可能性を示唆している。
• ゼロ磁場下における静的ストライプと超伝導性の共存は、ストライプが高温超伝導体の超伝導性に対して純粋に有害であるという一般的な見解に挑戦する。
• 結果は、電荷ストライプと超伝導性が互いに排他的ではなく、物質の基底状態において錯みあっている可能性を支持する。