[논문 리뷰] Incommensurate Phonon Anomaly and the Nature of Charge Density Waves in Cuprates

H. Miao, Daisuke Ishigawa외 7명|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|2017. 12. 12.

Solidification and crystal growth phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 구리산염 La1.875Ba0.125CuO4에서 관찰된 비동치 진동수 비정상성은 전이 온도에 따라 파동수벡터가 변화하며, CDW 전이 이하에서는 0.238 r.l.u. 에서 300 K에서 0.3 r.l.u. 로 이동한다. 이 고온 행동은 '214' 및 비-'214' 유형을 포함한 다양한 구리산염 가족에서 일반적인 CDW 불안정성 존재를 시사한다. 이는 저온에서의 순서 파동수벡터가 서로 다를 수 있음에도 불구하고 그렇다.

ABSTRACT

While charge density wave (CDW) instabilities are ubiquitous to superconducting cuprates, the different ordering wavevectors in various cuprate families have hampered a unified description of the CDW formation mechanism. Here we investigate the temperature dependence of the low energy phonons in the canonical CDW ordered cuprate La$_{1.875}$Ba$_{0.125}$CuO$_{4}$. We discover that the phonon softening wavevector associated with CDW correlations becomes temperature dependent in the high-temperature precursor phase and changes from a wavevector of 0.238 reciprocal space units (r.l.u.) below the ordering transition temperature up to 0.3~r.l.u. at 300~K. This high-temperature behavior shows that "214"-type cuprates can host CDW correlations at a similar wavevector to previously reported CDW correlations in non-"214"-type cuprates such as YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6+δ}$. This indicates that cuprate CDWs may arise from the same underlying instability despite their apparently different low temperature ordering wavevectors.

연구 동기 및 목표

• 기본적인 CDW 순서 구리산염 La1.875Ba0.125CuO4에서 저에너지 진동수의 온도 의존성을 조사하기 위해.
• '214'-형 구리산염에서의 CDW 상관관계가 YBCO와 같은 비-'214' 구리산염에서 관찰된 것과 유사한 파동수벡터를 가지는지 확인하기 위해.
• 다른 구리산염 가족에서 관찰되는 순서 파동수벡터의 차이에도 불구하고, CDW가 공통된 기초 불안정성에서 기인한다는 가설을 검증하기 위해.
• 고해상도 비탄성 X선 산란(IXS)을 사용하여 전이 온도 이상에서의 CDW 예비 상태의 성격을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 21.75 keV X선 빔을 사용하여 SPring-8의 BL43LXU에서 고해상도 비탄성 X선 산란(IXS) 측정을 수행하였으며, 가상-보이트 기계적 해상도 함수를 적용하였다.
• CDW Bragg 피크가 TCDW = 55 K 이하에서 나타나는 Q = (0, 0.25, 14.5) r.l.u. 근처의 c축 이동 모드에 집중하였다.
• 외평면 진동수 모드에 대한 감도를 향상시키기 위해 큰 L 기하학적 구조를 사용하였으며, 동역학적 해상도(δH, δK, δL) = (0.02, 0.02, 0.2) r.l.u. 로 설정하였다.
• K 방향으로 0.02 r.l.u. 간격으로 스펙트럼을 측정하였으며, 각 점당 1시간의 통합 시간를 확보하였고, 신호 정규화에 펄스글라스 기준을 적용하였다.
• 300 K에서 55 K까지 넓은 온도 범위에서 진동수 분산 및 반폭을 분석하여 비정상성의 진화를 추적하였다.
• 이론적 예측 및 이전 연구 결과와의 비교를 통해 진동수 비정상성의 파동수벡터 진화를 규명하였다.

Figure 1: Room temperature phonon dynamic structure factor $S(\textbf{\em Q},\omega)$ of La 1.875 Ba 0.125 CuO 4 . (a) Colormap around $(0,K,14.5)$ for $K=0\rightarrow 0.5$ r.l.u. showing two modes labeled M1 and M2 that match theoretical predictions shown as dotted lines. (b) - (g) show representat

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La1.875Ba0.125CuO4에서의 진동수 비정상성 파동수벡터가 CDW 전이 온도 이상에서도 일정하게 유지되는가?
• RQ2 '214'-형 구리산염에서의 CDW 상관관계가 고온에서 YBa2Cu3O6+δ와 같은 비-'214' 구리산염에서 관찰된 것과 유사한 파동수벡터를 가지는가?
• RQ3 진동수 비정상성의 온도 의존적 진화가 다양한 구리산염 가족 간의 일반적인 CDW 불안정성 존재를 뒷받침하는가?
• RQ4 CDW 예비 변동은 TCDW 이상에서 진동수 스펙트럼에 어떻게 나타나는가?
• RQ5 관측된 파동수벡터 이동은 전하, 스핀, 격자 자유도 간의 결합과 관련이 있는가?

주요 결과

• La1.875Ba0.125CuO4에서의 진동수 비정상성 파동수벡터는 TCDW = 55 K 이하에서는 0.238 r.l.u. 에서 300 K에서는 0.3 r.l.u. 로 증가한다.
• 이 고온에서의 파동수벡터 변화는 '214' 구리산염에서의 CDW 상관관계가 YBCO와 같은 비-'214' 구리산염에서 관찰된 것과 일치함을 시사한다.
• 온도 의존적 파동수벡터 변화는 다양한 구리산염 가족에서 CDW 불안정성의 공통된 기원을 시사한다.
• 진동수 비정상성은 TCDW 이상에서도 날카롭고 명확하게 유지되며, 고온 상에서 국소적 CDW 상관관계 존재를 나타낸다.
• 관측된 파동수벡터 변화는 단순한 정적 CDW 모델과 부합하지 않으며, 대신 동적인, 변동성이 있는 CDW 예비 상태를 지지한다.
• 결과는 CDW와 스핀 밀도파(SDW) 상관관계가 스핀 갭 없이도 그 비공명성을 锁정하는 방식으로 결합되어 있음을 암시한다.

Figure 2: Temperature dependence of the La 1.875 Ba 0.125 CuO 4 phonon spectra. (a)-(c) Elastic line subtracted and Bose-factor corrected IXS spectra at $K=0.09$ , $0.23$ and $0.35$ r.l.u. respectively. Purple, green and red circles are correspond to data at 12, 130 and 300 K, respectively. Strong t