[論文レビュー] Probing electronic order via coupling to low energy phonons in superconducting Bi$_2$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_{6+\delta}$

Craig Bonnoit, Dillon Gardner+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高分解能非弾性X線散乱を用いて、超伝導性Bi2Sr2−xLa xCuO6+δにおける電子秩序を調査し、波数ベクトル(1/4, 1/4, 0)における縦音響フォノンの異常な広がりを明らかにした。これは、時間的変動する電子密度波との結合を示唆している。フォノン応答およびエネルギー獲得とエネルギー損失の過程における強度の非対称性は、準ギャップ状態において時間反転対称性と空間反転対称性が同時に破れていることを示しており、銅酸化物系における隠れた秩序の直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

We report high-resolution inelastic x-ray scattering measurements of the acoustic phonons in the single-layer cuprate $Bi_{2}Sr_{2-x)La_{x}CuO_{6+\delta}$. These measurements reveal anomalous broadening of the longitudinal acoustic phonon near the (1/4,1/4,0) wavevector. The observed wavevector and its doping dependence indicate the coupling of the phonons to an underlying electronic density wave state. In addition, a comparison of the scattered intensities for x-ray energy-gain and x-ray energy-loss indicates that both time-reversal and inversion symmetries are broken in the material. Upon cooling, the effects of symmetry breaking are enhanced in the pseudogap state.

研究の動機と目的

• 単層銅酸化物系における低エネルギーフォノンと電子秩序の結合を調査すること。
• Bi2Sr2−xLa xCuO6+δにおける電子密度波秩序が静的か動的かを特定すること。
• 準ギャップ相における対称性の破れ（特に時間反転対称性と空間反転対称性）の性質を調査すること。
• STM測定とバルク散乱測定との間に存在する電子秩序に関する矛盾を解明すること。
• 格子振動が高温超伝導体における隠れた電子秩序の感受性の高いプローブとして機能しうるかどうかを確立すること。

提案手法

• アドバンストフォトンソースのHERIX装置を用いて、Bi2Sr2−xLa xCuO6+δの単結晶に対して高分解能非弾性X線散乱（IXS）を実施した。
• 偏光依存性IXSを用いて、縦方向および横方向に偏光した音響フォノンを測定し、(Q · ε)²に依存する感度を活用した。
• 減衰する調和振動子のフィットを測定器のエネルギー分解関数と畳み込み処理することで、フォノンの線幅および強度を抽出した。
• エネルギー獲得およびエネルギー損失散乱強度を分析し、時間反転対称性および空間反転対称性の破れを調べるための非対称性比A(Q)を計算した。
• 揺らぎ-散乱定理を適用し、測定された動的構造因子S(Q, ω)を磁化率の虚数部χ''(Q)に関連づけた。
• Tc = 25 K、31 K、33 Kの複数のドーピング濃度および温度（T* ≈ 150 Kの上・下）で測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音響フォノンが電子秩序に結合することで、Bi2201において特定の波数ベクトルで異常な広がりが現れるか？
• RQ2 フォノンの異常を引き起こす電子秩序は静的か動的か？
• RQ3 準ギャップ状態において時間反転対称性と空間反転対称性が破れているか。その兆候はX線散乱でどのように現れるか？
• RQ4 フォノン応答はT*における準ギャップの発現とどのように相関しているか？
• RQ5 低エネルギーフォノンは高温超伝導体における隠れた秩序のプローブとして機能しうるか？

主な発見

• q ≈ (0.25, 0.25, 0)における縦音響フォノンモードに異常な広がりが観測され、波数ベクトル(1/4, 1/4, 0)を持つ電子密度波との結合を示唆している。
• 横方向フォノンではこの異常は観測されず、フォノン異常は格子の非調和性ではなく電子秩序に起因していることを確認した。
• エネルギー獲得とエネルギー損失の過程における強度比A(Q)は、T = 300 Kで非ゼロであり、T* ≈ 150 K未満に冷却するにつれて増加する。これは、時間反転対称性と空間反転対称性が同時に破れていることを示している。
• 非対称性は(0.25, 0.25, 0)で最も顕著であり、異常フォノンの波数ベクトルにおける対称性の破れと整合的である。
• 格子調制は低温でも動的であることが示され、T*において並進対称性が自発的に破れるのではなく、他の銅酸化物とは異なっている。
• 本研究の結果は、電子秩序が静的歪みではなく動的フラクチュエーションとして持続することを示しており、STMとバルク散乱測定の結果を統合した。