[論文レビュー] Light-enhanced Charge Density Wave Coherence in a High-Temperature Superconductor

Scott Wandel, Fabio Boschini+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

超高速共鳴ソフトX線散乱を用いて、この研究では、赤外線レーザーが超伝導性をクエンチした後のYBa₂Cu₃O₆₊ₓにおける電荷密度波（CDW）秩序の一時的応答を追跡している。CDWの空間的相関の強化がピコ秒スケールで非熱的に行われ、相関長がほぼ2倍に増加するが、振幅はほとんど変化しない。これは、超伝導性が不均一な競合を通じてCDWドメイン内のトポロジカルな欠陥を安定化させることを示している。

ABSTRACT

In high-T$_{C}$ cuprates, superconductivity and charge density waves (CDW) are competitive, yet coexisting orders. To understand their microscopic interdependence a probe capable of discerning their interaction on its natural length and time scales is necessary. Here we use ultrafast resonant soft x-ray scattering to track the transient evolution of CDW correlations in YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6+x}$ following the quench of superconductivity by an infrared laser pulse. We observe a picosecond non-thermal response of the CDW order, characterized by a large enhancement of spatial coherence, nearly doubling the CDW correlation length, while only marginally affecting its amplitude. This ultrafast snapshot of the interaction between order parameters demonstrates that their competition manifests inhomogeneously through disruption of spatial coherence, and indicates the role of superconductivity in stabilizing topological defects within CDW domains.

研究の動機と目的

• 高Tc銅酸化物における超伝導性と電荷密度波（CDW）秩序の微視的相関関係を、自然な長さスケールおよび時間スケールで解明すること。
• 超伝導性のクエンチがCDW相関のダイナミクスおよび相関性に与える影響を調査すること。
• 超伝導性とCDW秩序の競合が空間的に均一に現れるか、不均一に現れるかを特定すること。
• 超伝導性がCDWドメイン内におけるトポロジカル欠陥の安定性に果たす役割を調べること。

提案手法

• 超伝導性とCDW秩序の相関を、サブピコ秒の時間分解能で、元素選択性と動径分解能を備えた超高速共鳴ソフトX線散乱を用いて測定する。
• 赤外線レーザーパルスを用いて、YBa₂Cu₃O₆₊ₓにおける超伝導状態を非熱的クエンチする。
• 時間分解X線回折パターンを通じて、CDW相関長および振幅の遷移的変化を測定する。
• 実時間でのCDW秩序パラメータの進化を分析し、振幅と相関性のダイナミクスを区別する。
• 非熱的励起プロトコルを用いて、超伝導秩序の抑制効果と熱的効果を分離する。
• 共鳴X線散乱を用いて、高い感度と動径分解能でCDW秩序パラメータを特異的にプローブする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導性の抑制が、YBa₂Cu₃O₆₊ₓにおける電荷密度波（CDW）秩序の空間的相関性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 超伝導性とCDW秩序の競合は、CDW相関の破壊を均一に、あるいは不均一に引き起こすか？
• RQ3 非熱的クエンチに続くCDW秩序の一時的応答において、振幅と相関性の相対的な役割は何か？
• RQ4 超伝導性の存在が、CDWドメイン内におけるトポロジカル欠陥の安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 超高速X線散乱は、非熱的効果を区別できる十分な感度で、CDW秩序パラメータの時間的変化を解像できるか？

主な発見

• 超伝導性がレーザーでクエンチされた後、CDW相関長がほぼ2倍に増加し、空間的相関性の著しい強化が示された。
• CDW秩序の振幅はほとんど変化しなかったため、強化は主に相関性の向上によるものであり、秩序パラメータの強度の増加とは無関係であると考えられる。
• 観察された応答はピコ秒スケールで発生し、非熱的であるため、超伝導性とCDW秩序パラメータ間に直接的な電子的結合があることが示唆された。
• 応答の不均一性は、超伝導性がCDWドメイン内に存在するトポロジカル欠陥を安定化させることを示しており、超伝導性がクエンチされるとその安定性が失われる。
• 結果から、超伝導性とCDW秩序の競合は空間的に均一ではなく、相関性が超伝導ペアリングの抑制に対してより感受性が高いことが明らかになった。
• 超高速共鳴ソフトX線散乱は、非熱的ダイナミクスを解明できる十分な時間分解能および動径分解能を備えており、CDW秩序の遷移的変化を成功裏に解明した。