[論文レビュー] Fast vortices in the Cuprates? A vortex plasma model analysis of the THz conductivity and diamagnetism in La 2-x Sr x CuO 4

L. S. Bilbro, Rolando Valdés Aguilar+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ドーピング度が低いLa2−xSrxCuO4薄膜における臨界温度Tcより高い温度領域における超伝導揺らぎを、THz時間領域分光法を用いて調査した。その結果、揺らぎのシグナルがTcに近い約16 Kの範囲でのみ持続することが判明した。ネイキッド・プラズマモデルの解析から、もし抗磁性が純粋にフォノンに起因するならば、それらは通常のBardeen-Stephen予測よりも100倍以上も大きな拡散定数を示さねばならず、これは非典型のフォノン挙動、あるいは抗磁性反応の超伝導的起源でない可能性を示唆している。

ABSTRACT

The nature of the underdoped pseudogap regime of the high-temperature copper oxide superconductors has been a matter of long-term debate. On quite general grounds, we expect that, owing to their low superfluid densities and short correlation lengths, superconducting fluctuations will be significant for transport and thermodynamic properties in this part of the phase diagram. Although there is ample experimental evidence for such correlations, there has been disagreement about how high in temperature they may persist, their role in the phenomenology of the pseudogap and their significance for understanding high-temperature superconductivity. Here we use THz time-domain spectroscopy to probe the temporal fluctuations of superconductivity above the critical temperature (Tc) in La2−xSrxCuO4 (LSCO) thin films over a doping range that spans almost the entire superconducting dome (x=0.09–0.25). Signatures of the fluctuations persist in the conductivity in a comparatively narrow temperature range, at most 16 K above Tc. We compare our results with measurements of diamagnetism in a similarly doped crystals of LSCO and show through a vortex-plasma model that if the fluctuation diamagnetism solely originates in vortices, then they must necessarily exhibit an anomalously large vortex diffusion constant, which is more than two orders of magnitude larger than the Bardeen-Stephen estimate. This points to either the extremely unusual properties of vortices in the under-doped d-wave cuprates or a contribution to the diamagnetic response that is not superconducting in origin.

研究の動機と目的

• ドーピング度が低いLa2−xSrxCuO4薄膜におけるTcより高い温度領域における超伝導揺らぎの持続性と性質を調査すること。
• 擬似ギャップ領域における観測された抗磁性がフォノンに起因するのか、それとも他のメカニズムに起因するのかを特定すること。
• ドーピング度が低い銅酸化物超伝導体におけるTHz電導度および抗磁性反応を説明するフォノンプラズマモデルの妥当性を検証すること。
• 擬似ギャップ領域におけるフォノン拡散定数が、Bardeen-Stephenの予測値を上回っているかどうかを評価し、異常なフォノンダイナミクスを示唆するかを検討すること。
• ドーピング度が低い銅酸化物相図における抗磁性および揺らぎ効果の起源に関する長年の論争を解決すること。

提案手法

• ドーピング度範囲（x = 0.09–0.25）のLSCO薄膜のTcより高い温度領域で、THz時間領域分光法を用いて複素電導度を測定した。
• 測定されたTHz電導度をフォノンプラズマモデル内で解析し、フォノン拡散定数を含む動的応答パラメータを抽出した。
• モデルは、抗磁性反応がフォノン揺らぎに起因すると仮定し、フォノン運動は拡散定数Dによって支配されるとする。
• Bardeen-Stephenのフォノン拡散定数の理論的予測値と、データから抽出された値を比較し、整合性を評価した。
• 同様のドーピング度の単結晶からの抗磁性反応データを用いて、モデルが揺らぎ領域への適用可能性を検証した。
• 一貫性のチェックを実施し、観測された抗磁性がフォノン揺らぎのみで完全に説明可能かどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング度が低いLSCOにおけるTcより高い温度領域で、THz電導度を用いた測定により、超伝導揺らぎはどの程度持続するか？
• RQ2 擬似ギャップ領域における観測された抗磁性反応は、フォノンプラズマモデルにおけるフォノン揺らぎのみで完全に説明可能か？
• RQ3 抗磁性反応を説明するために必要なフォノン拡散定数の大きさはどの程度で、Bardeen-Stephenの予測値と比べてどうなるか？
• RQ4 観測値と予測値の差異は、非典型のフォノン挙動を示唆するのか、それとも抗磁性反応の超伝導的起源でないことを示唆するのか？
• RQ5 フォノン揺らぎは、ドーピング度が低い銅酸化物領域におけるTHz電導度にどの程度寄与しているか？

主な発見

• ドーピング度が低いLSCOにおいて、超伝導揺らぎはTHz電導度においてTcより高い温度領域で、最大で16 Kの狭い温度範囲でのみ観測された。
• 擬似ギャップ領域における観測された抗磁性反応は、フォノン揺らぎのみで説明可能ではない。フォノン拡散定数がBardeen-Stephenの推定値を2桁以上上回る必要がある。
• 必要なフォノン拡散定数は、Bardeen-Stephenの予測値の100倍以上に達すると推定され、標準的なフォノンダイナミクスとは顕著に異なることを示唆している。
• この差異は、ドーピング度が低いd波銅酸化物超伝導体におけるフォノンが極めて特異な性質を持つ、あるいは抗磁性反応が超伝導的起源ではない可能性を示唆している。
• 本研究の結果は、擬似ギャップ領域におけるフォノン挙動の従来の理解に挑戦し、事前に形成された対や競合秩序の性質を再考する必要があることを示唆している。
• 本研究の結果は、観測された抗磁性と標準的なフォノンプラズマモデルとの間に根本的な不整合があることを強調しており、ドーピング度が低い銅酸化物に新たな物理現象が存在することを示唆している。