[논문 리뷰] Strictly In-Plane Vortex-like Excitations in Pseudogap Region of Underdoped $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ Single Crystals

H. H. Wen, Z. Y. Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2003. 01. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 다양한 자기장 방향에서 측정한 네르누스트 효과를 통해, 과도금의 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$의 준가역 상태에서 엄밀히 면내의 소용돌이형 진동자에 대한 직접적 증거를 제시한다. 주요 발견은 자기장을 ab 평면에 적용했을 때 $T_c$를 초과하는 온도에서 네르누스트 신호가 급격히 사라지는 것으로, 이는 초전도 조건화와 코플레어 페어의 일관된 c축 운동이 동시에 발생함을 시사하며, $T_c$ 이상에서도 형성된 쌍이 존재하는 수정된 다층 터널링 모델을 지지한다. 결과는 $T_c$ 이상에서도 면내 소용돌이 진동자가 지속되며, 조지프슨 결합의 발생과 밀접하게 연결되어 있음을 확인한다.

ABSTRACT

Nernst effect has been measured for an underdoped and an optimally doped $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ single crystal with the magnetic field applied along different directions. For both samples, when $H \|$ c, a significant Nernst voltage appears above $T_c$ and keeps measurable up to a high temperature (100 K) as reported by Xu et al.[ Nature 406, 486(2000) ]. However, when $H \|$ a-b plane the Nernst signal drops below the noise level quickly above $T_c$ for the underdoped sample. Moreover, the in-plane Nernst data with field at different angles shows a nice scaling behavior with the c-axis component of the field. All these give strong indication for strictly in-plane vortex-like excitations in pseudo-gap region.

연구 동기 및 목표

• 과도금의 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$의 준가역 영역에서 소용돌이형 진동자의 성격을 조사하기 위해.
• 소용돌이 진동자가 엄밀히 면내에 국한되어 있는지, 그리고 그 역학이 자기장 방향에 따라 어떻게 달라지는지 규명하기 위해.
• 초전도 조건화가 코플레어 페어의 일관된 c축 운동이 시작되는 것과 동시에 발생하는지 확인하기 위해.
• 다층 터널링(ILT) 모델이 준가역 상태를 설명하는 데 타당한지 검증하기 위해.

제안 방법

• 고품질의 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ 단결정($x = 0.09$: 과도금, $x = 0.15$: 최적 도핑)을 대상으로, 한 히터와 두 온도계를 사용한 네르누스트 효과 측정.
• 이sovotropic 소용돌이 역학을 탐색하기 위해 c축에 수직인 자기장($H\|c$)과 ab 평면에 수직인 자기장($H\|ab$)을 적용.
• 비대칭 접촉에서 발생하는 패러데이 신호와 열전기력($\text{EMF}$)을 제거하기 위해 필드 스위프 차등 측정을 사용.
• 스케일링 행동을 추출하기 위해, 온도 및 c축 방향 자기장 성분에 대한 네르누스트 전압 $V_N$ 분석.
• 다른 자기장 방향에 대해 $T_c$ 이상의 네르누스트 신호를 비교하여 소용돌이형 진동자의 공간적 범위와 이동성에 대한 정보를 유추.
• 온도 안정도 <0.01 K, 최대 12 T의 자기장을 제공하는 고정밀 초저온 장치(Oxford Maglab-12)를 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과도금의 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$의 준가역 상태에서 소용돌이형 진동자는 엄밀히 Cu-O 평면 내에 국한되어 있는가?
• RQ2 소용돌이 진동자의 네르누스트 신호는 결정 평면에 대한 자기장 방향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 $H\|ab$ 조건에서 네르누스트 신호가 $T_c$를 초과할 때 사라지는 것은 초전도 조건화와 c축 일관성의 동시에 발생을 의미하는가?
• RQ4 $T_c$ 이상에서 면내 소용돌이 진동자를 생성하는 데 전형적인 쌍의 형성은 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 네르누스트 신호의 c축 성분에 따른 관측된 스케일링은 수정된 다층 터널링 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 과도금 표본($T_c = 30K$)에서, $H\|ab$ 조건에서 $T_c$를 약간 초과하는 온도에서 네르누스트 신호가 노이즈 수준(10$^{-8}$ V)으로 급격히 감소함을 확인하여, 소용돌이 역학에서 급격한 전이가 발생함을 시사.
• 자기장을 c축에 따라 적용했을 경우, 네르누스트 신호는 100 K까지 측정 가능함을 확인하여, 준가역 상태에서 장수명의 소용돌이형 진동자가 존재함을 뒷받침.
• 네르누스트 신호는 c축 성분에 대해 보편적인 스케일링을 보이며, 관측된 효과가 면내 소용돌이 진동자에 의해 주도됨을 확인.
• $H\|ab$ 조건에서 네르누스트 신호가 급격히 억제되는 것은 초전도 조건화와 코플레어 페어의 일관된 c축 운동이 동시에 발생함을 시사.
• 데이터는 조건화 에너지가 $T_c$ 이상에서의 쌍 형성과 $T_c$ 이하에서 c축 일관성에 의해 운동 에너지가 감소함으로써 기인하는 수정된 다층 터널링 모델을 지지함.
• 결과는 준가역 영역에서 엄밀히 면내의 소용돌이형 진동자가 존재하며, $T_c$ 이상에서도 형성된 쌍이 존재함을 강력히 뒷받침함.