[論文レビュー] Determination of the optical properties of La{2-x}Ba{x}CuO{4} for several dopings, including the anomalous x=1/8 phase

C. C. Homes, M. Hücker+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、赤外反射率を用いて、バリウムドーピングが3通り（x = 0.095, 0.125, 0.145）のLa2-xBaxCuO4単結晶の光学的性質を測定した。x=1/8の異常相では、スピンストライプ秩序化温度（Tso ≈ 42 K）未満で、低周波数から高周波数へスペクトル重みの転送が観測され、運動量に依存するギャップの存在を示唆している。一方、超伝導相では、凝縮体形成とジョセフソンプラズマ端が観測され、これらは超伝導密度とdc電導度の普遍的スケーリングと整合的である。

ABSTRACT

The optical properties the high-temperature superconductor La{2-x}Ba{x}CuO{4} have been measured over a wide frequency and temperature range for light polarized in the a-b planes and along the c axis. Three different Ba concentrations have been examined, x=0.095 with a critical temperature T_c=32 K, x=0.125 with T_c ~ 2.4 K, and x=0.145 with T_c ~ 24 K. The in-plane behavior of the optical conductivity for these materials at high temperature is described by a Drude-like response with a scattering rate that decreases with temperature. Below T_c in the x=0.095 and 0.145 materials there is a clear signature of the formation of a SC state in the optical properties allowing the strength of the condensate (ρ_{s0}) and the penetration depth to be determined. In the anomalous 1/8 phase, some spectral weight shifts from lower to higher frequency (above 300 cm^{-1}) on cooling below the spin-ordering temperature T_{so} ~ 42 K, associated with the onset of spin-stripe order; we discuss alternative interpretations in terms of a conventional density-wave gap versus the response to pair-density-wave SC. The disappearance of the low-frequency spectral weight at low temperature may indicate the formation of a 2D SC state below the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition at about 16 K prior to the onset of bulk 3D SC. The two dopings for which a SC response is observed both fall on the universal scaling line ρ_{s0}/8 ~ 4.4 σ_{dc} T_c. The optical properties for light polarized along the c axis reveal an insulating character dominated by lattice vibrations, superimposed on a weak electronic background. In the x=0.095 and 0.145 materials a Josephson plasma edge is observed in the reflectance below T_c. No Josephson plasma edge is observed in the 1/8 phase, suggesting that the presence of charge and spin order frustrates the formation of a supercurrent and bulk 3D SC.

研究の動機と目的

• バリウムドーピングレベルを変化させたLa2-xBaxCuO4の光学的応答を調査すること。
• スピンストライプ秩序と電荷秩序が電子スペクトル重みと超伝導コherenceをどのように変化させるかを特定すること。
• 異常なx=1/8相が、ペア密度波（PDW）超伝導性の兆候を示すか、あるいは従来の密度波ギャップの特徴を示すかを評価すること。
• c軸光学応答を測定し、ジョセフソンプラズマ端を検出することで、層間超伝導結合を評価すること。
• 高温超伝導体における普遍的スケーリング関係式 ρs0/8 ≈ 4.4σdcTc が成り立つかを検証すること。

提案手法

• 広い周波数範囲および温度範囲で、x = 0.095, 0.125, 0.145 のLa2-xBaxCuO4単結晶に対して赤外反射率測定を実施した。
• キラル・クロニクの分析を用いて反射率データから光学的電導度を抽出し、フォノン成分およびアンチレゾナント成分を差し引いた。
• 面内光学的電導度にドレーブモデルを適用し、散乱レートおよびプラズマ周波数を抽出した。
• Tc未満での低周波数スペクトル重みの欠損から、超伝導密度 ρs0 を決定した。
• c軸反射率を解析し、ジョセフソンプラズマ端の検出と層間結合の評価を実施した。
• 温度依存的なスペクトル重みの変化を、PDWおよび従来のCDWギャップの理論モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 x=1/8相では、ペア密度波（PDW）超伝導性に一致する運動量に依存するエネルギーギャップが観測されるか？
• RQ2 Tso ≈ 42 K でスピンストライプ秩序が形成されることにより、光学的応答およびスペクトル重み分布にどのような影響が生じるか？
• RQ3 x=1/8相ではc軸抵抗が著しく低下しているにもかかわらず、c軸方向にジョセフソンプラズマ端が観測されないのはなぜか？
• RQ4 x=0.095およびx=0.145の超伝導相は、普遍的スケーリング関係式 ρs0/8 ≈ 4.4σdcTc を満たすか？
• RQ5 x=1/8相では、低周波数反射率が異常に抑制され、スペクトル重みが300 cm⁻¹以上へ転送されるが、その原因は何か？

主な発見

• x=0.095およびx=0.145の試料では、温度が低下するにつれて、面内光学的電導度がドレーブ型に狭くなることから、Tc = 32 Kおよび約24 K未塔で超伝導凝縮体が形成されていることが示された。
• 超伝導密度 ρs0 および浸透深度は、Tc未満での低周波数スペクトル重みの欠損から決定され、超伝導状態の形成が確認された。
• 両超伝導試料は、普遍的スケーリング線 ρs0/8 ≈ 4.4σdcTc 上に位置しており、強い面内散乱とd波ペアリングと整合的であることが示された。
• x=1/8相では、Tso ≈ 42 K未満で、低周波数（<300 cm⁻¹）から高周波数（>300 cm⁻¹）へスペクトル重みが転送されることが観測され、運動量に依存するギャップの発現を示唆した。
• 面内の自由キャリア応答は、Tso未満で著しく狭くなり、最低温度で自由キャリアのスペクトル重みはもはや分解できず、バルク超伝導がないにもかかわらず凝縮体形成に類似した振る舞いを示した。
• x=1/8相では、c軸抵抗が著しく低下しているにもかかわらず、c軸方向にジョセフソンプラズマ端が観測されず、層間結合が阻害されている可能性を示唆した。