[논문 리뷰] Spin susceptibility of charge ordered YBa2Cu3Oy across the upper critical field

Rui Zhou, M. Hirata외 10명|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|2017. 10. 31.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 전하 정렬 YBa2Cu3Oy에서 17O NMR를 사용하여 스핀 자화율을 측정하여 자기장에 따라 선형으로 증가하고 20–40 T 이상에서 포화됨을 발견했으며, 이는 상한 임계장(Hc2)이 약 ~24–40 T임을 지지한다. 결과는 Hc2 감소가 장거리 전하 밀도파(CDW) 질서가 아니라 국소적 CDW 변동에 기인하며, 허위 갭이 초전도성 페어링과 독립적인 기본 상태 성질임을 시사한다.

ABSTRACT

The value of the upper critical field Hc2, a fundamental characteristic of the superconducting state, has been subject to strong controversy in high-Tc copper-oxides. Since the issue has been tackled almost exclusively by macroscopic techniques so far, there is a clear need for local-probe measurements. Here, we use 17O NMR to measure the spin susceptibility $χ_{spin}$ of the CuO2 planes at low temperature in charge ordered YBa2Cu3Oy. We find that $χ_{spin}$ increases (most likely linearly) with magnetic field H and saturates above field values ranging from 20 to 40 T. This result is consistent with Hc2 values claimed by G. Grissonnanche et al. [Nat. Commun. 5, 3280 (2014)] and with the interpretation that the charge-density-wave (CDW) reduces Hc2 in underdoped YBa2Cu3Oy. Furthermore, the absence of marked deviation in $χ_{spin}(H)$ at the onset of long-range CDW order indicates that this Hc2 reduction and the Fermi-surface reconstruction are primarily rooted in the short-range CDW order already present in zero field, not in the field-induced long-range CDWorder. Above Hc2, the relatively low values of $χ_{spin}$ at T=2 K show that the pseudogap is a ground-state property, independent of the superconducting gap.

연구 동기 및 목표

• 지역 탐측 기술을 사용하여, 열화된 고임계 전도체에서 상한 임계장(Hc2)에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• YBa2Cu3Oy에서 Hc2 감소가 장거리 전하 밀도파(CDW) 질서에 의해 유도되는지, 아니면 영구적인 국소적 CDW 변동에 의해 유도되는지 확인하기 위해.
• 허위 갭 상호작용이 Hc2 결정에 미치는 역할과 초전도성 페어링과의 관계를 조사하기 위해.
• 관측된 Hc2 값이 CDW 및 양자临계점성과 같은 경쟁 질서와 일치하는지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• T ≈ 2–3 K에서 산소 정렬 YBa2Cu3Oy 단결정에 대해 17O 핵자기공명(NMR) 측정을 수행하여 스핀 자화율 χspin을 추출하였다.
• 기존의 이방성 파ameters를 사용하여 궤도 및 반자성 기여를 보정한 O(3) 위치에서 자기장 의존성 커니트 시프트 측정을 수행하였다.
• O(2) 및 O(3) 위치 간 스펙트럼 겹침을 최소화하기 위해 c축에서 약 16° 기울인 자기장을 적용하였으며, 자기장 값은 cos(16°) ≈ 0.96로 보정하였다.
• χspin의 자기장 의존성을 선형(α=1) 및 제곱근(α=1/2) 함수에 적합시켜 자기장 반응의 성격을 평가하였다.
• 초전도 상태에서 피부 깊이가 변화함에 따라 NMR 공명 주파수의 변화를 모니터링하여 비틀림의 용해를 관찰하였다.
• 홀 도핑 비율(p ≈ 0.088–0.135)이 다른 네 개의 샘플을 비교하여 Hc2 및 CDW 효과의 도핑 의존성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열화된 YBa2Cu3Oy에서 상한 임계장 Hc2는 홀 도핑 감소와 함께 감소하는가? 만약 그렇다면 그 크기는 얼마인가?
• RQ2 Hc2 감소의 주요 원인은 장거리 전하 밀도파(CDW) 질서인가, 아니면 영구적인 자기장이 없는 상태에서 존재하는 국소적 CDW 변동인가?
• RQ3 스핀 자화율 χspin은 자기장에 따라 어떻게 변화하며, Hc2에서 포화되는가?
• RQ4 허위 갭 상호작용은 초전도성 페어링과 독립적인 기본 상태 성질인가, Hc2 이상에서 저온에서의 χspin 값이 이를 시사하는가?
• RQ5 문헌에서 보고된 상반된 Hc2 값들은 실험 기술 또는 샘플 조건의 차이에서 기인하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 스핀 자화율 χspin은 자기장에 따라 선형으로 증가하고 20–40 T 이상에서 포화되며, Grissonnanche 등(2014)이 보고한 Hc2 값과 일치한다.
• 장거리 2차원 CDW 질서 발생 시점에서 χspin(H) 곡선에 끼임점이나 이질성이 없음을 고려할 때, Hc2 감소의 원인이 장거리 CDW 질서가 아니라 국소적 CDW 변동임을 시사한다.
• T = 2 K에서 Hc2 이상에서 χspin의 포화는 허위 갭이 초전도성 갭과 분리된 기본 상태 성질임을 확인한다.
• Hc2 값은 비단조화적인 도핑 의존성과 일치하며, p ≈ 0.12 근처에서 최소값을 보이며, 양자临계점성 또는 CDW 유도 감소의 존재를 지지한다.
• 관측된 Hc2 값은 파라도전도의 가우시안 변동 분석 및 비틀림 용해 외삽과 일치하여 그 타당성을 강화한다.
• 결과는 열전도도 및 자화도 데이터의 상반된 해석을 조율하며, 열화된 YBCO에서 Hc2 값이 약 ~24 T로 낮은 값을 지지하며, 45 T까지의 값은 지지하지 않는다.