[논문 리뷰] Distinct fingerprints of charge density waves and electronic standing waves in ZrTe$_3$

Li Yue, Shangjie Xue외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 16.

Organic and Molecular Conductors Research참고 문헌 52인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 ZrTe₃에서 전하 밀도 파동(CDW)과 프리델 진동(FO)을 구별하기 위해 공진형 연성 X선 회절을 사용하여, 서로 다른 운동량 의존성과 상관 길이를 가지는 두 개의 별개의 회절 신호를 밝혀냈다. CDW와 FO 서명은 전이 온도 근처에서 동시에 나타나지만, 공간적으로는 분리되고 동적으로도 다르게 행동하며, 불순물에 의한 고정으로 인해 FO 패치는 정적 상태가 된다. 이는 상호작용하는 현상이 있는 양자 물질에서 이들을 명확히 분리하는 실험적 방법을 제공한다.

ABSTRACT

Experimental signatures of charge density waves (CDW) in high-temperature superconductors have evoked much recent interest, yet an alternative interpretation has been theoretically raised based on electronic standing waves resulting from quasiparticles scattering off impurities or defects, also known as Friedel oscillations (FO). Indeed the two phenomena are similar and related, posing a challenge to their experimental differentiation. Here we report a resonant X-ray diffraction study of ZrTe$_3$, a model CDW material. Near the CDW transition, we observe two independent diffraction signatures that arise concomitantly, only to become clearly separated in momentum while developing very different correlation lengths in the well-ordered state. Anomalously slow dynamics of mesoscopic ordered nanoregions are further found near the transition temperature, in spite of the expected strong thermal fluctuations. These observations reveal that a spatially-modulated CDW phase emerges out of a uniform electronic fluid via a process that is promoted by self-amplifying FO, and identify a viable experimental route to distinguish CDW and FO.

연구 동기 및 목표

• 기본 측정 방법으로는 서로 구별하기 어려운 관련 전자 시스템에서 전하 밀도 파동(CDW)과 프리델 진동(FO)을 실험적으로 구분하는 것.
• 정지 불순물이 상전이 온도 근처에서 메조스코픽 CDW 나노영역의 안정화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 고해상도 공진형 X선 산란을 통해 CDW와 FO 기여의 공간적 및 동적 분리를 해결하는 것.
• 불순물에 의한 잡음에 강건한 CDW 형성에 대한 명확한 실험적 서명을 수립하는 것.
• FO와 CDW가 공존할 수 있지만, 서로 다른 운동량 공간 행동과 상관 길이로 구별될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 고해상도 연성 X선 산란(RSoXD)은 NSLS-II의 비임 23-ID-1에서 수행되었으며, 고유량 및 기계적 안정성을 확보한 공진형 X선 비임을 사용하여 고해상도 운동량 해상도를 확보하였다.
• 간섭 무늬 기록 및 스페클 분석을 통한 도메인 구조 및 동적 특성 탐지에 고해상도 CCD 카메라(30×30 µm² 픽셀)를 사용하였다.
• CDW 회절 신호 강도를 최대화하기 위해 X선 입사 에너지를 Te 4d 코어 준위에 공진시키기 위해 630 eV로 조정하였다.
• CDW 및 FO 회절 신호의 온도 의존적 매개변수를 추출하기 위해 이방성 폭을 가진 이차원 가우시안 피팅을 적용하였다.
• ZrTe₃의 피에르 표면 및 노팅 성질을 모델링하기 위해 DFT 계산을 수행하였으며, Quantum Espresso 소프트웨어 패키지를 사용하였다.
• 자기 일관성 DFT 계산을 위해 12×18×8 k-그리드를 사용하였고, 이후 피에르 표면를 매핑하기 위해 비자기 일관성 계산을 54×78×1 k-그리드에서 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로타입 CDW 물질에서 운동량 공간 및 동적 특성에서 CDW와 프리델 진동(FO) 서명을 실험적으로 구별할 수 있는가?
• RQ2 정지 불순물은 상전이 근처에서 메조스코픽 CDW 나노영역의 형성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 피에르 표면의 노팅과 전자 비균일성이 자가강화적 FO를 통해 CDW 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 CDW와 FO 신호가 유사한 공간 주기성을 가지며 T_CDW 근처에서 공존함에도 불구하고, 왜 서로 다른 신호로 유지되는가?
• RQ5 공진형 X선 산란을 통해 CDW 도메인의 동역학을 FO 패치와 별도로 탐측할 수 있는가?

주요 결과

• ZrTe₃에서 CDW 전이 온도 근처에서 CDW와 FO에 기인한 두 개의 독립적인 회절 신호가 동시에 관측되었다.
• CDW 및 FO 신호는 서로 다른 운동량 공간 위치를 가지며, CDW 신호는 약 (-0.07, 0, 0.67) r.l.u. 에 위치하고, FO 신호는 약간 다른 파장벡터를 가졌다.
• 정렬된 상태에서 CDW 상관 길이가 크게 증가한 반면, FO 상관 길이는 짧게 유지되어 서로 다른 물리적 기원을 시사하였다.
• 메조스코픽 CDW 나노영역은 강한 열변동에도 불구하고 T_CDW 근처에서 이국적인 저속 동역학을 보였으며, 이는 자기조직화된 불순물 촉진 핵형성 과정을 시사하였다.
• 63 K 이하에서 프리델 진동 패치는 강한 불순물에 의한 고정으로 완전히 정적 상태가 되었으며, 이는 CDW 형성의 씨앗 역할을 한다는 것을 확인하였다.
• T_CDW 이하에서 CDW와 FO의 공존이 확인되었으며, CDW가 전체 갭을 열지 않아 초기 단계의 FO가 예비 불안정성으로서 지속됨을 시사하였다.