[論文レビュー] Nature of the enigmatic pseudogap state: novel magnetic order in superconducting HgBa2CuO4+d

Yuan Li, V. Balédent+8 more|ArXiv.org|May 19, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本研究では偏光中性子回折を用いて、HgBa2CuO4+dにおける準位相転移温度T*が時間反転対称性の破れを伴う新しい磁気秩序の開始を示すことを実証した。これは、クロスオーバーではなく真の相転移であることを示しており、斜方酸素軌道を含む普遍的な電荷-電流ループ秩序を支持するものであり、超伝導ドームの下に量子臨界点が存在することを示唆している。

ABSTRACT

The nature of the enigmatic pseudogap region of the phase diagram is the most important and intriguing unsolved puzzle in the field of high transition-temperature (Tc) superconductivity. This region, the temperature range above Tc and below a characteristic temperature T*, is characterized by highly anomalous magnetic, charge transport, thermodynamic and optical properties. Associated with the pseudogap puzzle are open questions pertaining to the number of distinct phases and the presence of a quantum-critical point underneath the superconducting dome. Here we use polarized neutron diffraction to demonstrate for the model superconductor HgBa2CuO4+d (Hg1201) that T* marks the onset of an unusual magnetic order, and hence a novel state of matter with broken time-reversal symmetry. Together with prior results for YBa2Cu3O6+d (YBCO), this observation constitutes an essential and decisive demonstration of the universal existence of such a state. The new findings appear to rule out a large class of theories that regard T* as a crossover temperature rather than a phase transition temperature. Instead, they are consistent with a variant of previously proposed charge-current-loop order that involves apical oxygen orbitals, and with the notion that many of the unusual properties arise from the presence of a quantum-critical point.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体における準位相転移状態の性質を特定すること、特にHgBa2CuO4+d（Hg1201）を対象としている。
• T*が準位相転移領域でクロスオーバーであるか、真の相転移であるかを解明すること。
• 超伝導ドームの下に量子臨界点が存在するかを調査すること。
• 準位相転移状態が時間反転対称性の破れを伴う新しい磁気秩序を含むという仮説を検証すること。
• YBCOを含むさまざまなカルトリウム系超伝導体において、この状態が普遍的であることを確立すること。

提案手法

• HgBa2CuO4+d単結晶における磁気秩序を調べるために偏光中性子回折を用いた。
• 温度依存の磁気散乱強度を測定し、T*における長距離磁気秩序の開始を特定した。
• 中性子散乱の偏光依存性を分析して、時間反転対称性の破れを確認した。
• YBa2Cu3O6+dの既存データと比較することで、観察された状態の普遍性を確立した。
• 対称性解析を用いて、観察された磁気秩序が斜方酸素軌道を含む電荷-電流ループ構成と関連していることを特定した。
• T*およびTc付近の挙動を検討することで、量子臨界性への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HgBa2CuO4+dにおける準位相転移温度T*は、真の相転移か、クロスオーバーか？
• RQ2 Hg1201におけるT*で出現する磁気秩序の性質は何か？
• RQ3 Hg1201で観察された磁気秩序は、時間反転対称性の破れを伴う状態と整合的か？
• RQ4 YBCOなどの他のカルトリウム系超伝導体においても、同じ磁気秩序が観察されるか？普遍性を確認できるか？
• RQ5 この状態の存在が、超伝導ドームの下に量子臨界点が存在することを示唆するか？

主な発見

• 偏光中性子回折により、HgBa2CuO4+dにおけるT*での長距離磁気秩序の開始が明確に特定された。
• 磁気秩序は時間反転対称性を破っており、従来の磁気秩序とは異なる新しい物質状態であることを示している。
• 観察された磁気構造は、斜方酸素軌道を含む電荷-電流ループ秩序と整合的である。
• T*を単なるクロスオーバーとみなす理論を排除し、真の相転移を支持する結果となった。
• この状態が超伝導ドームの下に量子臨界点が存在することを示唆する結果と整合的である。
• YBa2Cu3O6+dでも同様の磁気秩序が観察され、カルトリウム系超伝導体全般における普遍性が確認された。