[論文レビュー] Connection between charge-density-wave order and charge transport in the cuprate superconductors

Wojciech Tabiś, Yilei Li+18 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 30被引用数 135

ひとこと要約

本研究は、高い構造的対称性とフェルミ液体行動を示す銅酸化物HgBa2CuO4+δ（Hg1201）における電荷密度波（CDW）秩序と電荷輸送の相乗的相互作用を調査する。共鳴X線散乱を用いて、約200 K未塔で短距離CDW相関が観測され、フェルミ液体輸送と共存していることが判明した。これは、CDW秩序がこの物質で観察された低温量子振動応答を駆動している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Charge-density-wave (CDW) correlations within the quintessential CuO$_2$ planes have been argued to either cause [1] or compete with [2] the superconductivity in the cuprates, and they might furthermore drive the Fermi-surface reconstruction in high magnetic fields implied by quantum oscillation (QO) experiments for YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+δ}$ (YBCO) [3] and HgBa$_2$CuO$_{4+δ}$ (Hg1201) [4]. Consequently, the observation of bulk CDW order in YBCO was a significant development [5,6,7]. Hg1201 features particularly high structural symmetry and recently has been demonstrated to exhibit Fermi-liquid charge transport in the relevant temperature-doping range of the phase diagram, whereas for YBCO and other cuprates this underlying property of the CuO$_2$ planes is partially or fully masked [8-10]. It therefore is imperative to establish if the pristine transport behavior of Hg1201 is compatible with CDW order. Here we investigate Hg1201 ($T_c$ = 72 K) via bulk Cu L-edge resonant X-ray scattering. We indeed observe CDW correlations in the absence of a magnetic field, although the correlations and competition with superconductivity are weaker than in YBCO. Interestingly, at the measured hole-doping level, both the short-range CDW and Fermi-liquid transport appear below the same temperature of about 200 K. Our result points to a unifying picture in which the CDW formation is preceded at the higher pseudogap temperature by $q$ = 0 magnetic order [11,12] and the build-up of significant dynamic antiferromagnetic correlations [13]. Furthermore, the smaller CDW modulation wave vector observed for Hg1201 is consistent with the larger electron pocket implied by both QO [4] and Hall-effect [14] measurements, which suggests that CDW correlations are indeed responsible for the low-temperature QO phenomenon.

研究の動機と目的

• 純粋なフェルミ液体輸送がHg1201に存在する場合、電荷密度波（CDW）秩序と両立可能かどうかを特定すること。
• 高い構造的対称性と最小限の電子的不均一性を示す銅酸化物において、CDW相関と電荷輸送の関係を調査すること。
• CDW秩序がHg1201およびYBCOで観察された低温量子振動応答を説明できるかどうかを明確にすること。

提案手法

• Hg1201における電荷密度波（CDW）秩序のプローブに、銅L端での共鳴X線散乱が用いられた。
• 内在的なCDW相関を分離するために、零磁場下での測定が実施された。
• フェルミ液体輸送が予想される最適ドーピング近傍の穴ドーピング領域に焦点を当てた。
• データ解析では、CDW相関強度と温度依存性を輸送特性と比較した。
• 結果は、特に擬似ギャップおよび反強磁性秩序に関する広範な銅酸化物相図の文脈で解釈された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷密度波（CDW）秩序はHg1201におけるフェルミ液体輸送と共存するか？
• RQ2 Hg1201におけるCDW秩序は、低温量子振動応答を説明するのに十分に強く相関しているか？
• RQ3 Hg1201におけるCDW波数ベクトルはYBCOと比べてどのように異なり、フェルミ表面再構成に何を示唆するか？
• RQ4 Hg1201においてCDW秩序の発現は、$q=0$ の磁気秩序または動的反強磁性相関に先行するか？
• RQ5 Hg1201で観測されたCDW相関は、量子振動およびホール効果測定から推定された電子パッチサイズを説明できるか？

主な発見

• 零磁場下においてもHg1201で短距離電荷密度波（CDW）相関が観測され、それが内在的性質であることを確認した。
• CDW秩序は約200 K未塔で出現し、フェルミ液体輸送行動の出現と一致した。
• Hg1201におけるCDW変調波数ベクトルはYBCOよりも小さいが、これは量子振動およびホール効果測定から推定されたより大きな電子パッチサイズと整合的である。
• 200 K未塔でCDW秩序とフェルミ液体輸送が共存していることは、CDW形成と低温量子振動応答を結びつける統一的メカニズムの可能性を示唆している。
• 結果は、CDW秩序が量子振動実験で観察されたフェルミ表面再構成を引き起こしている可能性を示しており、量子振動現象のCDW駆動起源を支持する。