[논문 리뷰] Short-range charge order reveals the role of disorder in the pseudogap state of high-Tc superconductors

Tianhao Wu, H. Mayaffre외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 YBa₂Cu₃Oᵧ의 정상 상태에서의 단거리 전하 순서가 장구한 전하 밀도 파동이 아니라 천연 결함에 의해 고정된 정적 전하 밀도 조절임을 보여준다. 이는 비자기성과 함께 공존하지만, 고자기장에서의 장거리 전하 밀도 파동과 대조되며, NbSe₂에서 관찰되는 현상과 유사한 불순물에 의해 유도된 전구순서를 시사한다.

ABSTRACT

The pseudogap regime of high-temperature cuprates harbours diverse manifestations of electronic ordering whose exact nature and universality remain debated. Here, we show that the short-ranged charge order recently reported in the normal state of YBa2Cu3Oy corresponds to a truly static modulation of the charge density. We also show that this modulation impacts on most electronic properties, that it appears jointly with intra-unit-cell nematic, but not magnetic, order, and that it exhibits differences with the charge density wave observed at lower temperatures in high magnetic fields. These observations prove mostly universal, they place new constraints on the origin of the charge density wave and they reveal that the charge modulation is pinned by native defects. Similarities with results in layered metals such as NbSe2, in which defects nucleate halos of incipient charge density wave at temperatures above the ordering transition, raise the possibility that order-parameter fluctuations, but no static order, would be observed in the normal state of most cuprates if disorder were absent.

연구 동기 및 목표

• YBa₂Cu₃Oᵧ의 페시오그랩 상태에서의 단거리 전하 순서의 성격을 규명하는 것.
• 불순물이 전하 밀도 파동 순서를 안정화하거나 조절하는 데 미치는 역할을 조사하는 것.
• 장거리 자화 순서가 존재하지 않는 조건에서 전하 순서가 정적인지 또는 변동적인지 명확히 하는 것.
• 고자기장 하에서 형성된 전하 밀도 파동과 관측된 전하 조절을 비교하는 것.
• 코발트산염 및 유사한 다층 구조계에서 전하 순서 메커니즘의 보편성을 평가하는 것.

제안 방법

• 원자 스케일에서 국소 전자 구조와 전하 밀도 조절을 탐사하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM)과 스펙트로스코피(STS)를 사용하였다.
• 터널링 도전도의 공간적 상관관계 분석을 통해 정적이고 단거리 전하 밀도 파동의 존재를 밝혀냈다.
• 공간적으로 해상도가 높은 측정을 통해 전하 순서와 비대칭성 및 자화 순서 매개변수를 비교하였다.
• 원자 스케일의 불순물과 격자 변형과의 상관관계를 통해 불순물에 의해 유도된 전하 밀도 파동 패턴을 규명하였다.
• 전이 온도 이상에서 잠재적 CDW 순서가 형성되는 NbSe₂의 전하 밀도 파동 상태와 행동을 비교하였다.
• 온도와 자기장의 체계적 변화를 통해 정적 순서와 변동성 전구순서를 구별하는 데 사용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YBa₂Cu₃Oᵧ의 정상 상태에서의 단거리 전하 순서는 정적인지 또는 동적 성격을 지닌다?
• RQ2 천연 불순물은 페시오그랩 상태에서 전하 밀도 파동의 형성과 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 전하 순서는 비대칭성과 함께 공존하는가? 만약 그렇다면 자화 순서와 관련이 있는가?
• RQ4 고자기장 하에서 관측된 장거리 전하 밀도 파동과는 달리, 영자기 상태에서 관측된 전하 조절은 어떻게 다를까?
• RQ5 관측된 전하 순서는 코발트산염 전반에 보편적인가? 이는 청결한 시스템에서의 진동이 순서 매개변수에 어떤 역할을 하는지를 시사하는가?

주요 결과

• YBa₂Cu₃Oᵧ에서의 단거리 전하 순서는 변동성 전구순서 상태가 아니라 정적 전하 밀도 조절이다.
• 이 정적 전하 조절은 천연 결함에 의해 고정되어 있어, 불순물이 순서의 안정화에 직접적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 전하 순서는 단위세포 내 비대칭성과 함께 공존하지만, 자화 순서와는 관련이 없다.
• 관측된 전하 조절은 고자기장 하에서 안정화된 장거리 전하 밀도 파동과 근본적으로 다르다.
• 결과적으로, 불순물 없이 존재할 경우 대부분의 코발트산염에서 정상 상태에서는 오직 순서 매개변수의 진동만 관측될 것이며 정적 순서는 나타나지 않을 것임을 시사한다.
• NbSe₂에서 관찰되는 유사한 결함에 의해 유도된 잠재적 전하 밀도 파동 환경은 불순물이 상호작용하는 금속에서 전구순서를 유도한다는 개념을 지지한다.