[論文レビュー] Neutron scattering study and analytical description of the spin excitation spectrum of twin-free YBa(2)Cu(3)O(6.6)

V. Hinkov, B. Keimer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、タウンフリーな YBa₂Cu₃O₆.₆ におけるスピン励起の高分解能非弾性中性子散乱分析を実施し、5 K および 70 K における絶対単位での磁化率 χ′′(Q,ω) の解析的モデルを導出する。スピン励起スペクトルの位相空間的構造の変化が明らかになった。70 K では二重対称性を示す 'Y' 型分散から、5 K では弱い対称性を示す下方分散型共鳴モードに移行する。この変化は、超伝導とポメランチュク型電子液体結晶相の競合に起因するとされる。

ABSTRACT

We present a comprehensive inelastic neutron scattering study of the magnetic excitations in twin-free YBa(2)Cu(3)O(6.6) (Tc=61 K) for 5 K < T < 290 K. Taking full account of the instrumental resolution, we derive analytical model functions for the magnetic susceptibility chi''(Q,omega) at T = 5 K and 70 K in absolute units. Our models are supported by previous results on similar samples and are valid at least up to excitation energies of omega = 100 meV. The detailed knowledge of chi''(Q,omega) permits quantitative comparison to the results of complementary techniques including angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), as demonstrated in Dahm et al., Nature Phys. 5, 217, (2009). Based on accurate modeling of the effect of the resolution function on the detected intensity, we determine important intrinsic features of the spin excitation spectrum, with a focus on the differences above and below Tc. In particular, at T = 70 K the spectrum exhibits a pronounced twofold in-plane anisotropy at low energies, which evolves towards fourfold rotational symmetry at high energies, and the relation dispersion is "Y"-shaped. At T = 5 K, on the other hand, the spectrum develops a continuous, downward-dispersing "resonant" mode with weaker in-plane anisotropy. We understand this topology change as arising from the competition between superconductivity and the same electronic liquid-crystal state as observed in YBa(2)Cu(3)O(6.45). We discuss our data in the context of different theoretical scenarios suggested to explain this state.

研究の動機と目的

• 装置の解像度関数を正確に補正することで、高品質なタウンフリー YBa₂Cu₃O₆.₆ 単結晶（Tc = 61 K）におけるスピン励起スペクトルの内在的性質を高精度で特定すること。
• 5 K および 70 K における絶対単位での χ′′(Q,ω) の解析的モデル関数を提供し、他の分光技術と定量的に比較可能にする。
• Tc より上と下でのスピン励起の位相空間的構造および面内対称性の進化を調査し、特に 'Y' 型から時計型（クロック型）分散への遷移を解明すること。
• アンダードープな銅酸化物超伝導体における超伝導とポメランチュク不安定性、またはフラクチュエーティングストライプの競合を理論的に検証すること。
• スピン励起スペクトルの完全なキャリブレーションモデルを提供することで、ARPES や STS、光学分光法との定量的相関を可能にすること。

提案手法

• 広い温度範囲（5 K ≤ T ≤ 290 K）で、高品質でタウンフリーな YBa₂Cu₃O₆.₆ 単結晶（Tc = 61 K）を用いて非弾性中性子散乱を実施する。
• 測定された強度データから内在的 χ′′(Q,ω) を抽出するために、装置解像度関数に対する厳密な補正を適用する。
• 100 meV まで到達するエネルギー・モーメンタム（Q）依存性を考慮したパラメトリックフィットを用いて、5 K および 70 K における χ′′(Q,ω) の解析的モデル関数を導出する。
• 類似した試料に関する先行研究結果と照合し、モデルの妥当性を検証するとともに、スペクトルの位相空間的構造や対称性の進化を解釈する。
• 得られた χ′′(Q,ω) を ARPES や光学分光法の補足的データと比較し、フェルミオン-ボソン結合効果の影響を評価する。
• スレーブボソン平均場理論フレームワークを用いて、観測された二重対称性から四重対称性への変化および 'Y' 型から時計型分散への移行を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タウンフリー YBa₂Cu₃O₆.₆ のスピン励起スペクトルは、超伝導転移温度 Tc = 61 K を境にどのように変化するか？
• RQ2 70 K で観測された 'Y' 型分散から 5 K で現れる共鳴モードに類似した分散への位相空間的構造の変化の起源は何か？
• RQ3 スピン励起の面内対称性の変化は、電子ネミック秩序またはポメランチュク不安定性とどの程度関連しているか？
• RQ4 観測されたスペクトル特徴は、超伝導と電子ネミック秩序を統合する単一の理論的枠組みで定量的に記述可能か？
• RQ5 中性子散乱から得られた χ′′(Q,ω) モデルは、ARPES や STS といったフェルミオン的プローブとの定量的比較をどの程度可能にするか？

主な発見

• 70 K では、低エネルギー領域で顕著な二重対称性を示す面内異方性を有し、高エネルギー領域に達するにつれて四重対称性に発展し、'Y' 型分散を形成する。
• 5 K では、連続的で下方に分散する共鳴モードが発現し、面内対称性が著しく低下する。これは超伝導状態の特徴的性質である。
• 観測された位相空間的構造の変化は、超伝導とポメランチュク型電子液体結晶相の競合に起因すると解釈され、YBa₂Cu₃O₆.₄₅ で観測されたものと類似している。
• 絶対単位での χ′′(Q,ω) の解析的モデル関数は妥当性を確認され、100 meV まで延長可能であり、他の分光技術と定量的に比較可能である。
• データから、高エネルギー領域のスピン励起分岐が ARPES スペクトルにおけるノード付近のキック（kink）に顕著に寄与していることが示され、従来の仮定（この特徴がフォノンに起因する）を覆すものである。
• Q = 0 における新規磁気秩序の発現温度は約 220 K であり、Nernst 効果の異方性発現温度 Tν に近く、擬似ギャップ状態と関連している可能性が示唆される。