[論文レビュー] Spin susceptibility of charge ordered YBa2Cu3Oy across the upper critical field

Rui Zhou, M. Hirata+10 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Oct 31, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、電荷秩序状態のYBa2Cu3Oyにおけるスピン磁化率を17O NMRで測定した。スピン磁化率は磁場に比例して増加し、20–40 T以上で飽和することを確認した。これは、上臨界磁場Hc2が約24–40 Tであることを支持する。結果から、アンダードープYBCOにおけるHc2の抑制は、長距離秩序の電荷密度波（CDW）ではなく、短距離CDW揺らぎに起因することが示された。また、準ギャップは超伝導ペアリングとは独立した基底状態の性質であることが示された。

ABSTRACT

The value of the upper critical field Hc2, a fundamental characteristic of the superconducting state, has been subject to strong controversy in high-Tc copper-oxides. Since the issue has been tackled almost exclusively by macroscopic techniques so far, there is a clear need for local-probe measurements. Here, we use 17O NMR to measure the spin susceptibility $χ_{spin}$ of the CuO2 planes at low temperature in charge ordered YBa2Cu3Oy. We find that $χ_{spin}$ increases (most likely linearly) with magnetic field H and saturates above field values ranging from 20 to 40 T. This result is consistent with Hc2 values claimed by G. Grissonnanche et al. [Nat. Commun. 5, 3280 (2014)] and with the interpretation that the charge-density-wave (CDW) reduces Hc2 in underdoped YBa2Cu3Oy. Furthermore, the absence of marked deviation in $χ_{spin}(H)$ at the onset of long-range CDW order indicates that this Hc2 reduction and the Fermi-surface reconstruction are primarily rooted in the short-range CDW order already present in zero field, not in the field-induced long-range CDWorder. Above Hc2, the relatively low values of $χ_{spin}$ at T=2 K show that the pseudogap is a ground-state property, independent of the superconducting gap.

研究の動機と目的

• 局所プローブ技術を用いて、アンダードープ高Tc銅酸化物における上臨界磁場（Hc2）の長年の論争を解明すること。
• YBa2Cu3OyにおけるHc2の抑制が、長距離電荷密度波（CDW）秩序によるものか、ゼロ磁場下に既存する短距離CDW揺らぎによるものかを特定すること。
• 準ギャップ相がHc2を決定づける役割を果たすメカニズムと、超伝導ペアリングとの関係を調査すること。
• 報告されたHc2値が、CDWや量子臨界性といった競合秩序と整合するかどうかを明確にすること。

提案手法

• スピン磁化率χspinを抽出するために、T ≈ 2–3 Kで酸素秩序状態のYBa2Cu3Oy単結晶に対して17O核磁気共鳴（NMR）測定を実施した。
• O(3)サイトにおける磁場依存キーンシフト測定を実施し、既知の異方性パラメータを用いて軌道的およびダイマグネティック寄与を補正した。
• O(2)およびO(3)サイト間のスペクトル重なりを最小限に抑えるために、c軸から約16°傾けた磁場を用い、磁場値はcos(16°) ≈ 0.96で補正した。
• χspinの磁場依存性を線形（α=1）および平方根（α=1/2）関数にフィットさせ、磁場応答の性質を評価した。
• 超伝導状態における皮引き深さの変化に起因するNMR共鳴周波数の変化をモニタリングすることで、ビレッジの融解を観察した。
• 穴ドーピング（p ≈ 0.088–0.135）が異なる4つのサンプルを比較し、Hc2とCDW効果のドーピング依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープYBa2Cu3Oyにおける上臨界磁場Hc2は、穴ドーピングが減少するに従い低下するか。その大きさはいかほどか？
• RQ2 Hc2の抑制は、主に長距離電荷密度波（CDW）秩序に起因するのか、それともゼロ磁場下に既存する短距離CDW揺らぎに起因するのか？
• RQ3 スピン磁化率χspinは磁場とともにどのように変化するか。Hc2に達して飽和するか？
• RQ4 2 KでのHc2上での低スピン磁化率値が示すように、準ギャップ相は超伝導ペアリングとは独立した基底状態の性質であるか？
• RQ5 文献で報告された矛盾するHc2値は、実験的手法や試料状態の違いに起因する程度はどの程度か？

主な発見

• スピン磁化率χspinは磁場に比例して増加し、20–40 T以上で飽和することが確認された。これはGrissonnancheら（2014）が報告したHc2値と整合的である。
• 長距離2次元CDW秩序の開始点でχspin(H)に急峻な曲がりやずれが観察されないことは、Hc2の抑制が短距離CDW揺らぎに起因することを示唆する。
• T = 2 KでHc2を超えてχspinが飽和することから、準ギャップが超伝導ギャップとは独立した基底状態の性質であることが確認された。
• Hc2値はドーピング依存性が非単調であり、p ≈ 0.12近辺に最小値を示すことが確認された。これは量子臨界性またはCDW駆動の抑制を支持する。
• 観測されたHc2値は、パラコンダクティビティのガウスゆらぎ解析およびビレッジ融解の外挿法と整合的であり、その妥当性を裏付けた。
• 本研究の結果は、熱伝導率および磁化率データの矛盾する解釈を統合し、アンダードープYBCOにおけるHc2値が45 Tまで達するのではなく、約24 Tであるという主張を支持した。