[論文レビュー] Short-range charge order reveals the role of disorder in the pseudogap state of high-Tc superconductors

Tianhao Wu, H. Mayaffre+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、YBa₂Cu₃Oᵧの正常状態における短距離電荷秩序が、フラクタルな秩序ではなく、内在欠陥によってピン留めされた静的電荷密度周期的変動であることが示された。これは、電子秩序と一致するが磁気秩序とは一致しない。また、高磁場下での長距離電荷密度波とは対照的であり、NbSe₂における現象に類似した不純物誘発前秩序を示唆している。

ABSTRACT

The pseudogap regime of high-temperature cuprates harbours diverse manifestations of electronic ordering whose exact nature and universality remain debated. Here, we show that the short-ranged charge order recently reported in the normal state of YBa2Cu3Oy corresponds to a truly static modulation of the charge density. We also show that this modulation impacts on most electronic properties, that it appears jointly with intra-unit-cell nematic, but not magnetic, order, and that it exhibits differences with the charge density wave observed at lower temperatures in high magnetic fields. These observations prove mostly universal, they place new constraints on the origin of the charge density wave and they reveal that the charge modulation is pinned by native defects. Similarities with results in layered metals such as NbSe2, in which defects nucleate halos of incipient charge density wave at temperatures above the ordering transition, raise the possibility that order-parameter fluctuations, but no static order, would be observed in the normal state of most cuprates if disorder were absent.

研究の動機と目的

• YBa₂Cu₃Oᵧの準ギャップ状態における短距離電荷秩序の性質を特定すること。
• 不純物が電荷密度波秩序の安定化または調節に果たす役割を調査すること。
• 長距離磁気秩序が存在しない状況において、電荷秩序が静的かフラクタルな前秩序かを明確にすること。
• 高磁場下に形成された電荷密度波と観察された電荷調制を比較すること。
• 銅酸化物および関連する層状系における電荷秩序メカニズムの普遍性を評価すること。

提案手法

• 原子スケールでの局所的電子構造および電荷密度調制を調べるために、走査トンネル顕微鏡（STM）およびスペクトロスコピー（STS）が用いられた。
• トンネル電導率の空間相関解析により、静的で短距離の電荷密度波の存在が明らかになった。
• 空間的に分解能の高い測定を用いて、電荷秩序とネマチックおよび磁気秩序パラメータを比較した。
• 原子スケールの不純物および格子歪みと電荷密度波パターンを相関させることで、不純物誘発の電荷調制が特定された。
• 遷移温度より高い領域で初期のCDW秩序を核化する不純物の影響を受けるNbSe₂における電荷密度波状態と比較した。
• 温度および磁場の系統的変化を用いて、静的秩序とフラクタルな前秩序の区別を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBa₂Cu₃Oᵧの正常状態における短距離電荷秩序は、静的か動的か、その性質は何か？
• RQ2 内在不純物は、準ギャップ状態における電荷密度波の形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ3 電荷秩序はネマチック秩序と共存するのか。もしそうなら、磁気秩序と相関しているか？
• RQ4 ゼロ磁場下で観察された電荷調制は、高磁場下で観測された長距離電荷密度波とはどのように異なるか？
• RQ5 観察された電荷秩序は銅酸化物全体に普遍的か。これは、クリーン系におけるフラクチュエーションの役割に何を示唆するか？

主な発見

• YBa₂Cu₃Oᵧにおける短距離電荷秩序は、フラクタルな前秩序状態ではなく、静的電荷密度調制である。
• この静的電荷調制は、内在不純物によってピン留めされており、不純物が秩序の安定化に直接的な役割を果たしていることを示している。
• 電荷秩序はユニットセル内でのネマチック秩序と共存するが、磁気秩序とは相関しない。
• 観察された電荷調制は、高磁場下で安定化された長距離電荷密度波とは本質的に異なる。
• 本研究の結果から、不純物が存在しない場合には、大多数の銅酸化物の正常状態では、秩序パラメータのフラクチュエーションのみが観察されるだろうと示唆される。
• NbSe₂における類似した不純物核化の初期電荷密度波ハローは、不純物が関連金属における前秩序を誘発するという考えを支持する。