[論文レビュー] Discovery of slow magnetic fluctuations and critical slowing down in the pseudogap phase of YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

Jian Zhang, Zhaofeng Ding+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、酸素ドーピング度が変化する単結晶YBa₂Cu₃Oᵧを用いて、準ギャップ相におけるT∗近傍での遅い磁気揺動と臨界遅れを、ミュオンスピン緩下（µSR）で検出する。観測された磁場依存緩下率は、レドフィールド関係に従い、相関時間τc ≈ 10⁻⁶ sおよび局所磁場B_loc^rms ≈ 1–10 mTが得られ、これは、静的磁場が観測されないNMR/µSRとは対照的に、対称性破れの兆候としての単位胞内磁気秩序の揺動的状態を強く支持する。

ABSTRACT

Evidence for intra-unit-cell (IUC) magnetic order in the pseudogap region of high-$T_c$ cuprates below a temperature $T^\ast$ is found in several studies, but NMR and $μ$SR experiments do not observe the expected static local magnetic fields. It has been noted, however, that such fields could be averaged by fluctuations. Our measurements of muon spin relaxation rates in single crystals of YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ reveal magnetic fluctuations of the expected order of magnitude that exhibit critical slowing down at $T^\ast$. These results are strong evidence for fluctuating IUC magnetic order in the pseudogap phase.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体におけるNMRおよびµSR実験で静的局所磁場が観測されないのに対し、対称性に敏感な実験では単位胞内（IUC）磁気秩序の兆候が示されているという矛盾を解消すること。
• IUC磁気秩序の動的で遅い揺動が、静的局所磁場を平均化することで、NMRおよびµSRで観測されない理由を説明できるかを調査すること。
• 縦磁場µSRを用いて、これらの揺動の特徴的な相関時間τcおよびルート・ミーン・スクエア（RMS）局所磁場B_loc^rmsを特定すること。
• 観測された緩下挙動が、量子臨界点と関連するT∗近傍での臨界遅れと整合するかを検証すること。
• 高純度銀（6N）試料を用いた制御実験を通じて、系統的誤差や代替緩下メカニズム（例：Korringa緩下）を除外すること。

提案手法

• 酸素含有量（y = 6.72–6.95）およびTc = 73–91 Kの変動を示すYBa₂Cu₃Oᵧの単結晶に対して、縦磁場（LF）およびゼロ磁場（ZF）ミュオンスピン緩下（µSR）測定を実施した。
• LF緩下率λ_LF(H_L)の磁場依存性を分析し、レドフィールド関係：λ_LF(H_L) = (γ_μ²⟨B_loc²⟩τ_c) / (1 + (γ_μ H_L τ_c)²) との整合性を検証した。
• TRIUMFおよびISISでの高純度銀（6N）試料を用いた制御実験により、系統的誤差（背景寄与、シンチレーター内でのミュオン停止など）を評価した。
• 銀試料での緩下率を測定し、YBCOで観測された信号が装置アーチファクト由来でないことを確認した。ベースライン値λ_Ag ≈ 0.5–3 ms⁻¹が得られた。
• Korringa緩下が高温背景の原因である可能性を除外した。これは、観測された緩下率を説明するにはB_loc^rmsが約10 Tに達する必要があるため、物理的に不自然であると推定した。
• ミュオンの拡散や超伝導状態のフラックスダイナミクスの影響を避けるために、T_cおよびT∗未満の温度領域に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関時間τc ≈ 10⁻⁶ sの遅い磁気揺動が、単位胞内磁気秩序の証拠があるにもかかわらず、NMRおよびµSRで静的局所磁場が観測されない理由を説明できるか？
• RQ2 縦磁場ミュオンスピン緩下率の磁場依存性が、単一の相関時間を持つマークフィールド的揺動とレドフィールド関係に整合するか？
• RQ3 緩下率がT∗で最大値を示すことは、量子臨界点に関連する臨界遅れを示唆するか？
• RQ4 YBCOで観測された緩下率は、内在的な磁気揺動由来であるか、それともミュオン停止や背景信号による系統的誤差由来であるか？
• RQ5 LF-µSRデータからB_loc^rmsおよび相関時間τcを信頼性高く抽出でき、IUC磁気秩序の期待値と整合する大きさであるか？

主な発見

• YBa₂Cu₃Oᵧにおける縦磁場ミュオンスピン緩下率λ_LF(H_L)の磁場依存性は、定量的にレドフィールド関係と整合しており、遅いマークフィールド的磁気揺動の存在を確認した。
• 磁気揺動の臨界遅れを示すT_mag ≈ T∗ ≈ 200 Kに緩下率の最大値が観測された。
• 抽出された相関時間τcは10⁻⁶ s程度であり、RMS局所磁場B_loc^rmsは1–10 mTと推定され、単位胞内磁気秩序の期待値と整合した。
• 高純度銀試料を用いた制御実験では、磁場依存緩下は観測されず、背景率は約0.5–3 ms⁻¹であった。これにより、系統的誤差は無視できるほど小さく、YBCOで観測された信号は内在的であることが確認された。
• 高温背景緩下率（約1–3 ms⁻¹）はKorringa緩下では説明できない。これは、観測された率を説明するにはB_loc^rmsが約10 Tに達する必要があるため、物理的に不自然である。
• 本結果は、準ギャップ相における揺動的単位胞内磁気秩序の強力な証拠を提供し、長年の対称性に敏感な実験と局所プローブ測定との間の矛盾を解消した。