[논문 리뷰] Determination of the optical properties of La{2-x}Ba{x}CuO{4} for several dopings, including the anomalous x=1/8 phase

C. C. Homes, M. Hücker외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 적외선 반사율을 이용하여 삼중 Ba Dopant(0.095, 0.125, 0.145)에 대한 La2-xBaxCuO4 단일 결정의 광학적 성질을 측정하였다. x=1/8 상은 스핀 스트립 순서화 온도(Tso ≈ 42 K) 이하에서 저주파수에서 고주파수로의 스펙트럼 무게 이동을 보이며, 이는 동역학적 에너지 갭의 운동량 의존성을 시사한다. 반면 초전도 상은 응축체 형성과 조지프슨 플라즈마 에지 모두를 보이며, 이는 초전도 밀도와 DC 전도도의 보편적 스케일링과 일치한다.

ABSTRACT

The optical properties the high-temperature superconductor La{2-x}Ba{x}CuO{4} have been measured over a wide frequency and temperature range for light polarized in the a-b planes and along the c axis. Three different Ba concentrations have been examined, x=0.095 with a critical temperature T_c=32 K, x=0.125 with T_c ~ 2.4 K, and x=0.145 with T_c ~ 24 K. The in-plane behavior of the optical conductivity for these materials at high temperature is described by a Drude-like response with a scattering rate that decreases with temperature. Below T_c in the x=0.095 and 0.145 materials there is a clear signature of the formation of a SC state in the optical properties allowing the strength of the condensate (ρ_{s0}) and the penetration depth to be determined. In the anomalous 1/8 phase, some spectral weight shifts from lower to higher frequency (above 300 cm^{-1}) on cooling below the spin-ordering temperature T_{so} ~ 42 K, associated with the onset of spin-stripe order; we discuss alternative interpretations in terms of a conventional density-wave gap versus the response to pair-density-wave SC. The disappearance of the low-frequency spectral weight at low temperature may indicate the formation of a 2D SC state below the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition at about 16 K prior to the onset of bulk 3D SC. The two dopings for which a SC response is observed both fall on the universal scaling line ρ_{s0}/8 ~ 4.4 σ_{dc} T_c. The optical properties for light polarized along the c axis reveal an insulating character dominated by lattice vibrations, superimposed on a weak electronic background. In the x=0.095 and 0.145 materials a Josephson plasma edge is observed in the reflectance below T_c. No Josephson plasma edge is observed in the 1/8 phase, suggesting that the presence of charge and spin order frustrates the formation of a supercurrent and bulk 3D SC.

연구 동기 및 목표

• Ba 도핑 농도가 다양한 La2-xBaxCuO4의 광학적 반응을 조사하기 위해.
• 스핀 스트립 순서화와 전하 순서화가 전자 스펙트럼 무게와 초전도 일관성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 이상적인 x=1/8 상이 쌍-밀도파(PDW) 초전도성의 징후 또는 전통적인 밀도파 갭의 특성을 보이는지 평가하기 위해.
• c축 광학 반응을 측정하고, 상호작용 초전도 결합을 나타내는 조지프슨 플라즈마 에지를 탐지하기 위해.
• 고온 초전도체에서의 보편적 스케일링 관계 ρs0/8 ≈ 4.4σdcTc를 검증하기 위해.

제안 방법

• 광학 반사율 측정을 통해 x = 0.095, 0.125, 0.145에서의 La2-xBaxCuO4 단일 결정에 대해 넓은 주파수 범위와 온도 범위에서 실험을 수행하였다.
• Kramers-Kronig 분석을 이용해 반사율 데이터에서 광학 전도도를 추출하였으며, 격자 진동 및 반공진 기여를 제거하였다.
• 내부 광학 전도도에 드루드 모델을 적용하여 산란률과 플라즈마 주파수를 추출하였다.
• Tc 이하에서 저주파수 스펙트럼 무게의 손실을 통해 초전도 밀도 ρs0를 결정하였다.
• c축 반사율을 분석하여 조지프슨 플라즈마 에지 탐지 및 다층 간 상호작용을 평가하였다.
• 온도에 따른 스펙트럼 무게 변화를 PDW 및 전통적 CDW 갭 이론 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 x=1/8 상이 쌍-밀도파(PDW) 초전도성과 일치하는 운동량 의존성 에너지 갭을 보이는가?
• RQ2 Tso ≈ 42 K에서 스핀 스트립 순서화 형성이 광학 반응과 스펙트럼 무게 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 c축 저항이 급격히 감소했음에도 불구하고 x=1/8 상에서 c축 방향으로 조지프슨 플라즈마 에지를 관측하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 x=0.095 및 x=0.145에서의 초전도 상이 보편적 스케일링 관계 ρs0/8 ≈ 4.4σdcTc를 따르는가?
• RQ5 x=1/8 상에서 저주파수 반사율이 비정상적으로 억제되고, 스펙트럼 무게가 300 cm⁻¹ 이상으로 이동하는 원인은 무엇인가?

주요 결과

• x=0.095 및 x=0.145 표본은 온도가 내려갈수록 좁아지는 드루드 유사 내부 광학 전도도를 보이며, 이는 Tc = 32 K 및 ≈24 K 이하에서 초전도 응축체 형성을 시사한다.
• 저주파수 스펙트럼 무게의 손실로부터 초전도 밀도 ρs0 및 침투 깊이를 결정하였으며, 초전도 상태 형성을 확인하였다.
• 모든 초전도 표본이 보편적 스케일링 선 ρs0/8 ≈ 4.4σdcTc 위에 위치하여, 강한 내부 소산 및 d-파동 쌍결합과의 일관성을 확인하였다.
• x=1/8 상에서는 Tso ≈ 42 K 이하에서 저주파수(<300 cm⁻¹)에서 고주파수(>300 cm⁻¹)로의 스펙트럼 무게 이동이 관찰되어, 운동량 의존성 갭 형성의 시작을 시사한다.
• 내부 자유전자 반응은 Tso 이하에서 급격히 좁아지며, 최저 온도에서 자유전자 스펙트럼 무게는 더 이상 해석 불가능해지며, 부피 초전도 없이도 응축체 형성과 유사한 행동을 보인다.
• x=1/8 상에서는 c축 방향으로 조지프슨 플라즈마 에지를 관측하지 못하였고, c축 저항이 급격히 감소했음에도 불구하고, 이는 상호작용 초전도 결합이 방해받고 있음을 시사한다.