[論文レビュー] Ultrafast time-resolved x-ray scattering reveals diffusive charge order dynamics in La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$

Matteo Mitrano, Sangjun Lee+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$における$x \sim 1/8$の状態で、超高速時間分解共鳴型ソフトX線散乱を用いて電荷秩序のダイナミクスを調査した。その結果、エネルギー領域$0.4$ meV $\lesssim \omega \lesssim 2$ meVでは、電荷秩序励起が過減衰的で拡散的ダイナミクスを示し、0.4 meV未満では動的臨界スケーリングが観測された。これはトポロジカル欠陥を介した伝播を示唆し、電荷秩序が動的フラクチュエーションを通じて超伝導性に能動的に寄与している可能性を示している。

ABSTRACT

Charge order is universal among high-T$_c$ cuprates but its relevance to superconductivity is not established. It is widely believed that, while static order competes with superconductivity, dynamic order may be favorable and even contribute to Cooper pairing. We use time-resolved resonant soft x-ray scattering to study the collective dynamics of the charge order in the prototypical cuprate, La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$. We find that, at energy scales $0.4$ meV $ \\lesssim \\omega \\lesssim 2$ meV, the excitations are overdamped and propagate via Brownian-like diffusion. At energy scales below 0.4 meV the charge order exhibits dynamic critical scaling, displaying universal behavior arising from propagation of topological defects. Our study implies that charge order is dynamic, so may participate tangibly in superconductivity.

研究の動機と目的

• 高温銅酸化物超伝導体における電荷秩序が動的であるかどうかを特定し、もしそうであれば、どのような集団的ダイナミクスを示すかを明らかにすること。
• 従来の分光法では到達できないサブmeVエネルギー領域における電荷秩序フラクチュエーションの性質を解明すること。
• 動的電荷秩序が超伝導性銅酸化物におけるクーパー対形成を促進あるいは媒介する可能性があるという仮説を検証すること。
• 時間分解X線散乱を用いて、代表的な銅酸化物超伝導体、La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$における電荷秩序の集団的ダイナミクスを調査し、1 meV未満のエネルギー分解能を達成すること。

提案手法

• 50-fsレーザーパulsesを用いて系を励起し、自由電子レーザーからの60-fs X線パulsesを用いて、130-fsの時間分解能で応答をプローブする、時間分解共鳴型ソフトX線散乱（tr-RSXS）を用いた手法。
• 銅の$L_{3/2}$エッジ（933 eV）での共鳴X線散乱を用い、価電子状態の電荷秩序を特異的にプローブ。エネルギー積分型およびエネルギー分解型の検出を組み合わせ、蛍光バックグラウンドからの散乱を分離。
• 40 psの遅延範囲を走査することで、0.103 meVから15.9 meVまでのエネルギースケールにアクセス。時間-エネルギー不確定性関係を用いて、サブmeV分解能を達成。
• 電荷秩序フラクチュエーションの減衰率$\gamma(q)$を抽出するため、動的構造因子$S(\vec{Q}_{CO}+\vec{q}, \omega)$を分析。
• ストライプ秩序の電荷秩序における長波長ダイナミクスを記述するため、ニューエル＝ホワイトヘッド振幅方程式を適用し、周期的パターンまわりの線形安定性解析を実施。
• 次に、$\gamma(q) = 2\epsilon + q^2$という次元なし単位での減衰率の導出を行い、物理的単位への変換として$\gamma(q) = \frac{2\epsilon}{\tau_0} + \frac{(2q_0\xi_0^2)^2}{\tau_0}q^2$を導出。理論的ダイナミクスと実験データを結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.2 meV未満のエネルギースケールにおけるLa$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$における電荷秩序ダイナミクスの性質は何か？
• RQ2 時間領域において、電荷秩序フラクチュエーションは拡散的であるか、あるいはコherentな振る舞いを示すか？
• RQ3 電荷秩序の低エネルギー領域において、動的臨界スケーリングの証拠はあるか？
• RQ4 電荷秩序のダイナミクスは、トポロジカル欠陥を含む流体的モデルで記述可能か？
• RQ5 観測された減衰率と、電荷秩序波数から逸脱した波数の関係は何か？

主な発見

• エネルギー領域$0.4$ meV $\lesssim \omega \lesssim 2$ meVでは、電荷秩序励起が過減衰的で、欠陥のブラウン運動に類似した拡散的ダイナミクスを示す。
• 0.4 meV未満では、動的臨界スケーリングが観測され、ストライプ格子内の欠陥（例：不等価欠陥）の伝播によって支配される普遍的挙動を示唆する。
• 測定された電荷秩序フラクチュエーションの減衰率は、次元なし単位で$\gamma(q) \approx 2\epsilon + q^2$に従い、流体的で拡散的緩和メカニズムを確認した。
• 実験的減衰率は理論モデル$\gamma(q) = \frac{2\epsilon}{\tau_0} + \frac{(2q_0\xi_0^2)^2}{\tau_0}q^2$により定量的に記述可能であり、微視的ダイナミクスと巨視的緩和を結びつける。
• コherentなゴールドストーンモードの欠如は、不純物やグレインバウンダリーによる並進対称性の破れが、長波長位相フラクチュエーションを抑制していることを示唆する。
• 結果から、電荷秩序は静的ではなく動的かつ能動的であることが示され、高温超伝導のメカニズムにおいて実質的な役割を果たしている可能性を支持する。