[論文レビュー] Fluctuating charge order in the optimally doped high temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x

Sean Vig, Anshul Kogar+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、4.5 meVのエネルギー分解能を有するモーメンタム解像度付き電子エネルギー損失分光法（M-EELS）を用いて、最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+xにおける動的で短距離的な電荷秩序を明らかにした。これにより、160 fsの時間スケールでの準弾性揺動が観測された。この発見は、この電荷秩序が、光電子分光スペクトルのキーンクチャを説明するボソン的集団モードと関連していることを示しており、超伝導性が揺らぐ不均一な電子状態と併存していることを示唆している。この状態は電子-ボソン結合に顕著な影響を与えている。

ABSTRACT

The field of high temperature superconductivity has been revolutionized by the recent discovery of charge order in most families of underdoped copper-oxides. Little is known, however, about the dynamics of this order, or whether it is present in optimally doped materials in which superconductivity is most pronounced. Here we present the first momentum-resolved, electron energy-loss (M-EELS) study of charge order in an optimally doped high temperature superconductor, Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+x}$,carried out with energy resolution $\Delta$ E = 4.5 meV. We observed the emergence at low temperature of diffuse, short-ranged charge order that undergoes quasielastic fluctuations on a time scale $ au$ = 160 fs. This order interacts with several bosonic collective modes whose spectral weight provides a transparent understanding of the so-called kink structure observed with photoemission in this material. Our study suggests that superconductivity in the copper-oxides coexists with a dynamic, inhomogeneous state that influences the magnitude of electron-boson interactions.

研究の動機と目的

• 超伝導性が最も強い最適ドーピングされた高温超伝導体における電荷秩序の存在とダイナミクスを調査すること。
• アンダードーピング領域における抑制が見られるにもかかわらず、最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+xにおける電荷秩序が存続するかどうかを特定すること。
• 電荷秩序がカルピートスに及ぼす集団的電子モードとの相互作用および電子-ボソン結合に与える影響を理解すること。
• 超伝導状態における電荷秩序ダイナミクスをモーメンタム解像度付きで高分解能でプローブするための手法を提供すること。

提案手法

• Bi2Sr2CaCu2O8+xにおける電荷秩序を調べるために、エネルギー分解能ΔE = 4.5 meVを有するモーメンタム解像度付き電子エネルギー損失分光法（M-EELS）を用いた。
• 低温でのスペクトル応答を測定し、拡散的で短距離的な電荷秩序の出現を検出した。
• 準弾性揺動から導かれる緩和時間スケールτ = 160 fsを用いて、電荷秩序の時間的ダイナミクスを分析した。
• スペクトル重み解析を通じて、電荷秩序と複数のボソン的集団モードとの結合を同定した。
• 観測されたスペクトル特徴を、角度分解光電子分光法（ARPES）で観測されたキーンクチャと関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導性が最も強力な最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+xに電荷秩序が存在するか？
• RQ2 最適ドーピング状態における電荷秩序の時間的ダイナミクスは何か？ また、揺動が発生する時間スケールは何か？
• RQ3 超伝導相における電荷秩序が集団的電子モードとどのように相互作用するか？
• RQ4 観測された電荷秩序ダイナミクスは、光電子分光スペクトルにおけるキーンクチャを説明できるか？

主な発見

• 最適ドーピングされたBi2Sr2CaCu2O8+xでは低温で拡散的で短距離的な電荷秩序が出現し、動的で不均一な電子状態を示している。
• 電荷秩序はτ = 160 fsの特徴的な時間スケールを持つ準弾性揺動を示しており、動的不均一性が裏付けられている。
• 電荷秩序からのスペクトル重みが複数のボソン的集団モードに結合しており、光電子分光データにおけるキーンクチャの直接的説明が得られた。
• 超伝導性と揺らぐ電荷秩序の共存は、電子-ボソン相互作用がこの不均一状態に顕著に影響を受ける可能性を示唆している。