[논문 리뷰] Coexistence of charged stripes and superconductivity in Bi2Sr2CaCu2O8+d

Craig Howald, Hiroshi Eisaki외 2명|arXiv (Cornell University)|2002. 01. 29.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 영자기장 조건에서 거의 최적 도핑된 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 정적이고 전하 농축된 스트립이 초전도성과 공존함을 입증한다. 스트립은 Cu-O 결합에 따라 정렬되어 있으며 사각형 격자 상수 간격으로 주기적이다. 이 스트립은 국소 상태 밀도의 조절을 유도하며, 초전도 갭 위쪽에 있던 상태들을 갭 아래로 이동시켜, 두 현상에 공통된 에너지 척도가 있음을 시사하며, 이는 둘 다 같은 기원을 가진다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

One of the most important outstanding problems in condensed matter physics is determination the ground state of strongly correlated electron system, in particular high-temperature superconductors (HTSC). For these materials, theoretical1-6 and experimental7-13 evidence has been mounting in support of the possibility that their ground state exhibits spin and charge density waves (SDW and CDW), which are primarily one-dimensional (i.e. stripes) and which either compete with or promote superconductivity. Coexistence of CDW or SDW and superconductivity has previously been reported in the lower Tc materials7-9,12,13 and in the presence of large magnetic fields10,11. The absence of data showing stripes in the higher Tc materials in zero field has lent support to the idea that stripes are competing with high temperature superconductivity. However, here we show, using scanning tunneling spectroscopy (STS), the existence of static striped density of electronic states in nearly optimally doped Bi2Sr2CaCu2O8+d in zero field. This modulation is aligned with the Cu-O bonds, with a periodicity of four lattice constants, and exhibits features characteristic of a two-dimensional system of line objects. We further show that the density of states modulation manifests itself as a shift of states from above to below the superconducting gap. The fact that a single energy scale (i. e., the gap) appears for both superconductivity and stripes suggests that these two effects have the same origin.

연구 동기 및 목표

• 영자기장 조건에서 고온 초전도체인 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 전하 농축 스트립이 초전도성과 공존하는지 여부를 규명하는 것.
• Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 전하 및 스핀 조절의 공간적 및 전자적 구조를 조사하는 것.
• 스트립 순서와 초전도성 간의 관계를 명확히 하여, 이들이 경쟁하는지 아니면 공통의 기원을 공유하는지 밝혀내는 것.
• 고온 초전도체에서 스트립이 경쟁적 상인지 혹은 잠재적 상인지에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하는 것.

제안 방법

• 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 표면에서 원자 척도의 국소 상태 밀도(LDOS)를 맵핑하였다.
• 자기장 영향을 피하기 위해 저온(4.5 K) 및 영자기장 조건에서 STS 측정을 수행하였다.
• 전자 구조의 주기적 조절을 추출하기 위해 LDOS 맵에 푸리에 분석을 적용하였다.
• LDOS 조절의 에너지 의존성을 분석하여 초전도 갭과의 관계를 규명하였다.
• 조절의 공간적 주기성 및 방향성을 Cu-O 결합 방향과 비교하여 스트립 특성을 확인하였다.
• LDOS 조절의 에너지 척도를 직접적으로 초전도 갭과 비교하여, 이들이 공통 기원을 가질 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영자기장 조건에서 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 전하 농축 스트립이 초전도성과 공존하는가?
• RQ2 이 물질에서 전자 밀도 조절의 공간적 주기성과 방향성은 무엇인가?
• RQ3 LDOS 조절은 에너지 및 공간적으로 초전도 갭과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 스트립 순서의 에너지 척도가 초전도성과 동일한가? 이는 공통 기원을 시사하는가?
• RQ5 관측된 조절은 전하 스트립을 나타내는 정적 2차원 선형 결함 배열과 일치하는가?

주요 결과

• 영자기장 조건에서 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 사각형 격자 상수 간격으로 주기적인 전하 농축 스트립이 관측되어, 외부 자기장 없이도 고온 초전도체에서 스트립이 존재함을 확인하였다.
• 스트립은 Cu-O 결합에 따라 정렬되어 있어 기초 결정 격자와의 강한 결합을 나타낸다.
• LDOS 조절은 초전도 갭 위쪽에 있던 전자 상태들이 갭 아래로 이동하는 방식으로 나타나, 직접적인 전자적 결합을 시사한다.
• 스트립 조절의 에너지 척도가 초전도 갭 에너지와 일치하여, 두 현상에 공통 기원이 있음을 시사한다.
• 영자기장 조건에서 정적 스트립과 초전도성의 공존은 스트립이 고온 초전도성에 순수하게 해로운 영향을 미친다는 기존의 견해에 도전한다.
• 결과는 전하 스트립과 초전도성이 상호 배제되지 않으며, 오히려 물질의 기본 상태에서 서로 얽혀 있을 수 있음을 지지한다.