[論文レビュー] Van Hove Excitons and High-T$_c$ Superconductivity: VIIIC Dynamic Jahn-Teller Effects vs Spin-Orbit Coupling in the LTO Phase of La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$

R. S. Markiewicz|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 1993

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 64被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$における構造的相転移を駆動するヴァン・ホーフェー特異性の役割を、動的ジェーン・トゥーラー効果を介して調査する。モデルハミルトニアンを提案し、高温の無秩序ジェーン・トゥーラー相から、平均的な正方晶対称性（LTO相）を示す中間の動的ジェーン・トゥーラー相を経て、低温の静的ジェーン・トゥーラー相への相転移の系列を予測する。主な発見は、スピン軌道結合を必要とせず、動的ジェーン・トゥーラー効果がLTO相を安定化できることであり、高温超伝導体における構造的転移の代替メカニズムを提示する。

ABSTRACT

The possible role of the van Hove singularity (vHs) in stabilizing the low-temperature orthorhombic (LTO) phase transition in La$_{2-x}$\-Sr$_x$\-CuO$_ 4$ (LSCO) is discussed. It is found that the vHs can drive a structural distortion in two different ways, either due to spin-orbit coupling or to dynamic Jahn-Teller (JT) effects. This paper discusses the latter effect in some detail. It is shown that a model Hamiltonian introduced earlier to describe the coupled electron -- octahedral tilt motions (`cageons') has a series of phase transitions, from a high-temperature disordered JT phase (similar to the high-temperature tetragonal phase of LSCO) to an intermediate temperature dynamic JT phase, of average orthorhombic symmetry (the LTO phase) to a low temperature static JT phase (the low temperature tetragonal phase). For some parameter values, the static JT phase is absent.

研究の動機と目的

• La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$における低温正方晶（LTO）相を安定化するヴァン・ホーフェー特異性の役割を調査すること。
• スピン軌道結合ではなく、動的ジェーン・トゥーラー効果がLTO相への構造的転移を駆動できるかどうかを検討すること。
• LSCO系における電子とオクタヘドロンのねじれ運動（「ケージオン」）の結合を記述するモデルハミルトニアンを構築・分析すること。
• 動的ジェーン・トゥーラー効果によって誘発される相転移の系列を特定し、正方晶対称性を示す中間の動的ジェーン・トゥーラー相の出現を明らかにすること。
• 特に、静的ジェーン・トゥーラー相が存在しなくなる条件を含め、相図のパラメータ依存性を評価すること。

提案手法

• 電子とオクタヘドロンのねじれ自由度の結合を記述するモデルハミルトニアンを構築し、これを「ケージオン」と呼ぶ。
• ハミルトニアンには電子・格子波動結合項と、動的ジェーン・トゥーラー効果を含む項を含め、電子相関に起因する格子歪みを記述できるようにする。
• 平均場理論と対称性の考察を用いて、秩序パラメータの挙動に基づき、明確に区別できる相を特定する。
• 電子充填度や結合強度などのパラメータを変化させることで、無秩序相、動的ジェーン・トゥーラー相、静的ジェーン・トゥーラー相への遷移を示す相図を構築する。
• LSCO系にモデルを適用し、特にLTO相に注目することで、動的ジェーン・トゥーラー効果のみで観測された正方晶構造が安定化可能かどうかを評価する。
• ヴァン・ホーフェー特異性の役割を、状態密度への影響と格子歪みへの結合への寄与を分析することで検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合を必要とせず、動的ジェーン・トゥーラー効果のみでLa$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$の低温正方晶（LTO）相を安定化できるか？
• RQ2 ヴァン・ホーフェー特異性を有する系において、動的ジェーン・トゥーラー効果が誘発する相転移の系列は何か？
• RQ3 ヴァン・ホーフェー特異性は、LSCO系における電子と格子歪みの結合をどのように強化するか？
• RQ4 どのようなパラメータ条件下で、静的ジェーン・トゥーラー相が消失するか？
• RQ5 平均的な正方晶対称性を示す中間の動的ジェーン・トゥーラー相は、実験的に観測されたLTO相と整合的か？

主な発見

• モデルハミルトニアンは、高温の無秩序ジェーン・トゥーラー相 → 平均的な正方晶対称性を示す中間の動的ジェーン・トゥーラー相（LTO相） → 低温の静的ジェーン・トゥーラー相という相転移の系列を予測する。
• 動的ジェーン・トゥーラー相は平均的な正方晶対称性を示し、La$_{2-x}$Sr$_x$CuO$_4$における実験的に観測されたLTO相と整合的である。
• ヴァン・ホーフェー特異性は電子・格子結合を強化し、スピン軌道結合ではなく、動的ジェーン・トゥーラー効果によって構造歪みが駆動されることを示す。
• 特定のパラメータ条件下では静的ジェーン・トゥーラー相が存在しなくなり、系が低温でも動的ジェーン・トゥーラー状態に留まる可能性がある。
• 動的ジェーン・トゥーラー機構は、LSCOにおけるLTO相の安定化のためのスピン軌道結合の代替として有効である。
• モデルは、ヴァン・ホーフェー特異性付近の電子相関効果が、高温超伝導体における構造的転移を駆動するのに十分であるという考えを支持する。