[論文レビュー] Quantum oscillation signatures of nodal spin-orbit coupling in underdoped bilayer high Tc cuprates

N. Harrison, B. J. Ramshaw+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ドーピング不足の二層銅酸化物において、弱いスピン軌道結合が磁気的ブレイクダウン中のスピン反転トンネルを引き起こすと提案している。これにより、等間隔の三重の量子振動周波数（F₋ ≈ 440 T, F₀ ≈ 530 T, F₊ ≈ 620 T）、c軸方向とab平面方向の振幅応答の非対称性、およびYBa₂Cu₃O₆₊ₓで観測された異常に小さい有効g因子が説明できる。このメカニズムは、対称性に保護されたハイブリダイゼーションの消失にもかかわらず、ノード部の二層スプリング分裂の持続を自然に説明する。

ABSTRACT

The highest superconducting transition temperatures in the cuprates are achieved in bilayer and trilayer systems, highlighting the importance of intralayer interactions for high Tc. It has been argued that interlayer hybridization vanishes along the nodal directions by way of a specific pattern of orbital overlap. Recent quantum oscillation measurements in bilayer cuprates have provided evidence for a residual bilayer-splitting at the nodes that is sufficiently small to enable magnetic breakdown tunneling at the nodes. Here we show that several key features of the experimental data can be understood in terms weak spin-orbit interactions naturally present in bilayer systems, whose primary effect is to cause the magnetic breakdown to be accompanied by a spin flip. These features can now be understood include the equidistant set of three quantum oscillation frequencies, the asymmetry of the quantum oscillation amplitudes in c-axis transport compared to ab-plane transport, and the anomalous magnetic field angle dependence of the amplitude of side frequencies suggestive of small effective g-factors. We suggest that spin-orbit interactions in bilayer systems can further affect the structure of the nodal quasiparticle spectrum in the superconducting phase.

研究の動機と目的

• ドーピング不足のYBa₂Cu₃O₆₊ₓで観測された等間隔の三重の量子振動周波数（F₋, F₀, F₊）の起源を説明すること。
• 通常の3d遷移金属の値とは異なる、サイド周波数の異常に小さい有効g因子を解明すること。
• c軸方向とab平面方向の輸送測定における量子振動振幅の非対称性を説明すること。
• 相互作用が理論的に抑制されているにもかかわらず、スピン軌道結合がノード方向にスピン反転を伴う磁気的ブレイクダウントンネルをどのように誘導できるかを理解すること。

提案手法

• スピン軌道結合項を含む二バンドタイトバインディングハミルトニアンを用いて、二層スプリングのフェルミ表面をモデル化する。
• 半古典的磁気的ブレイクダウン理論を適用し、結合状態と反結合状態の間のトンネル振幅を計算する。この際、スピン依存の位相因子を含む。
• サイクロトロン軌道のゼーマン分裂を用いて有効g因子を計算し、スピン軌道結合に起因するスピン反転遷移を組み込む。
• 伝達行列形式を用いて量子振動振幅を計算し、スピンループ波動関数と軌道的幾何学からの位相寄与を含む。
• 磁場方向を変化させた場合の振動振幅の角度依存性をシミュレートし、スピン軌道結合に起因するノード簡併性の解放を含む。
• 理論的予測値（g_effと振幅比）を、特に高角（θ ≈ 70°）におけるYBa₂Cu₃O₆₊ₓの実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜドーピング不足のYBa₂Cu₃O₆₊ₓで、等間隔の三重の量子振動周波数（F₋, F₀, F₊）が観測されるのか？
• RQ2 なぜサイド周波数の有効g因子が異常に小さく、標準的な3d遷移金属の挙動とは異なるのか？
• RQ3 なぜc軸方向の輸送において量子振動の振幅がab平面方向に比べて抑制されるのか？
• RQ4 なぜ相互作用が理論的に抑制されているにもかかわらず、ノード方向に磁気的ブレイクダウントンネルが生じるのか？
• RQ5 スピン軌道結合がノード準粒子スペクトルをどの程度変化させ、組み合わせ軌道の構造にどのような影響を与えるのか？

主な発見

• 等間隔の三重の量子振動周波数（F₋ ≈ 440 T, F₀ ≈ 530 T, F₊ ≈ 620 T）は、弱いスピン軌道結合に起因するスピン反転トンネルに起因する磁気的ブレイクダウンによるものである。
• サイド周波数の有効g因子は異常に小さく（g_eff ≈ 0–2）、これはスピン軌道結合に起因するスピン反転遷移がネット磁気モーメント応答を減少させることに起因する。
• c軸方向とab平面方向の輸送における振幅非対称性は、異なる磁場方向におけるスピンループ重なりとトンネル行列要素の違いによって説明できる。
• スピン軌道結合は、高磁場角度で結合状態と反結合状態のノード簡併性を解除し、q₂を増加させ、g_eff ≈ 2の新しい軌道を可能にする。ただし、その振幅は主周波数の20％未満にとどまる。
• 有効質量差Δmに依存しないmg_effの不変性は、質量非対称性下でもg因子予測の頑健性を示している。
• 数値シミュレーションにより、スピン軌道結合に起因するトンネルが、観測された周波数（F₋, F₀, F₊）と同じ軌道を生成することが確認され、このメカニズムが実験データセット全体を一貫して説明可能であると検証された。