[論文レビュー] Phonon Signature of Charge Inhomogeneity in High Temperature Superconductors YBa2Cu3O{6+x}

Yu. N. Petrov, T. Egami+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、YBa2Cu3O6+xにおける温度およびドーピング依存の電荷不均一性を明らかにした。ドーピングの増加に伴い、局所的電荷密度に変化を来さずに、電荷を帯びた領域の体積分率が上昇することを示した。主な発見は、Tc未満で電荷不均一性が急激に増大することであり、強いフォノン応答がフォノンが電荷ダイナミクスにおいて中心的役割を果たしていることを示唆し、銅酸化物超伝導体における均一な超伝導性という従来の見解に挑戦するものである。

ABSTRACT

Temperature and composition dependences of high-energy longitudinal optical (LO) phonons in YBa2Cu3O{6+x}, studied by inelastic neutron scattering measurements, provide clear evidence for temperature dependent spatial inhomogeneity of doped charges. The measurements indicate that charge doping increases the volume fraction of the charged regions, while the local charge density remains unchanged. For the optimally doped sample the charge distribution changes sharply near the superconducting transition temperature, with stronger charge inhomogeneity below Tc. The remarkable magnitude of the phonon response to charge suggests strong involvement of phonons in charge dynamics.

研究の動機と目的

• 高温超伝導体、特にYBa2Cu3O6+xにおける電荷不均一性の役割を調査すること。
• ドーピングと温度が銅酸化物におけるドーピングされたホールの空間的分布に与える影響を特定すること。
• 中性子散乱実験におけるフォノン応答を通じて、電荷不均一性の直接的な格子シグネイチャを同定すること。
• 最適ドーピング状態の銅酸化物における均一な電荷分布の仮定を検証し、フォノンが電荷ダイナミクスに果たす役割を評価すること。

提案手法

• 0.2、0.35、0.6、0.93の異なるxを有する単結晶YBa2Cu3O6+x試料を用い、オールドリッジ国立研究所のHFIRにおけるHB-3三軸分光法計測装置を用いて非弾性中性子散乱を実施した。
• 測定は(100)方向に沿う縦型光学(LO)フォノンに焦点を当て、エネルギー移動は50–80 meV、動量移動Qは逆格子単位で(3,0,0)から(3.5,0,0)の範囲をカバーした。
• 最終中性子エネルギーを14.7 meVに達成するため、ケイ素化ホウ酸(101)モニターアレイとピロライト炭素(002)アナライザーを用いた。
• 10 Kおよび300 Kを含むさまざまな温度で散乱強度を測定し、温度依存のフォノン挙動を調査した。
• スペクトル重み移動および異常を検出するために、異なるエネルギー範囲における強度マップとエネルギー積分強度を比較した。
• 2相モデルを適用し、分離した微視的電荷領域と中性領域の存在を示す分岐したLOフォノン分岐を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピングがYBa2Cu3O6+xにおけるドーピングされたホールの空間的分布に与える影響は何か？
• RQ2 特にTc近傍における電荷不均一性の温度依存性は何か？
• RQ3 フォノン分散および強度の異常は、銅酸化物における電荷不均一性の直接的シグネイチャとして機能できるか？
• RQ4 最適ドーピング状態の試料（x=0.93）において、Tc未満で電荷不均一性が増幅されるか？その結果、超伝導性に何を示唆するか？
• RQ5 フォノンは、高温超伝導体における電荷ダイナミクスとどの程度結合しているか？

主な発見

• すべてのドーピングレベルにおいて、LOフォノン分散が2本の分岐に分裂し、75 meV（高エネルギー）および55 meV（低エネルギー）を示しており、異なる電荷密度を有する2つの微視的相が存在することを示している。
• ドーピングが増加するに従い、スペクトル重みが高エネルギー側から低エネルギー側に移動し、局所的電荷密度に変化を来さずに電荷を帯びた領域の体積分率が増加することを裏付けている。
• 最適ドーピング状態の試料（x=0.93）において、Tc=95 Kで強度差（I(2)−I(1)）に急激な変化が観察され、Tc未満で電荷不均一性が増幅されていることを示している。
• 強度差の温度依存性から、電荷不均一性がT∗に起因する可能性が示唆され、x=0.35では約200 Kで徐々に飽和する傾向が見られた。
• 電荷ドメインのサイズは約8×20 Åと推定され、ストライプ様の形態と整合的である。2本の分岐分散は、準静的ストライプモデルを排除する。
• 2つのフォノン分岐間の強いエネルギー分裂（15–20 meV）は、低エネルギーフォノンと電荷ダイナミクスとの強い結合を示し、フォノンが電荷分離に寄与している可能性を示唆している。