[논문 리뷰] Ultrafast time-resolved x-ray scattering reveals diffusive charge order dynamics in La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$

Matteo Mitrano, Sangjun Lee외 16명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초고속 시간해상 분辨 연성 연의 X선 산산각도를 사용하여 La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$에서 $x \sim 1/8$일 때 전하 순서의 동역학을 탐구한다. 전하 순서 진동자는 에너지 $0.4$ meV $\lesssim \omega \lesssim 2$ meV 범위에서 과다 감쇠되고 확산 동역학을 나타내며, 0.4 meV 이하에서는 동역적 임계 스케일링을 보이며, 이는 위상 결함에 의한 전파를 시사한다. 이는 전하 순서가 동적 변동을 통해 초전도성에 적극적으로 기여할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Charge order is universal among high-T$_c$ cuprates but its relevance to superconductivity is not established. It is widely believed that, while static order competes with superconductivity, dynamic order may be favorable and even contribute to Cooper pairing. We use time-resolved resonant soft x-ray scattering to study the collective dynamics of the charge order in the prototypical cuprate, La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$. We find that, at energy scales $0.4$ meV $ \\lesssim \\omega \\lesssim 2$ meV, the excitations are overdamped and propagate via Brownian-like diffusion. At energy scales below 0.4 meV the charge order exhibits dynamic critical scaling, displaying universal behavior arising from propagation of topological defects. Our study implies that charge order is dynamic, so may participate tangibly in superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체 코발트산염에서 전하 순서가 동적인지 확인하고, 만약 그렇다면 어떤 종류의 집단적 동역학을 나타내는지 규명하는 것.
• 기존의 분광법으로는 접근이 어려운 1meV 이하 에너지 스케일에서 전하 순서 변동의 성격을 규명하는 것.
• 동적 전하 순서가 초전도성 코발트산염에서 쿠퍼 쌍 형성에 유리하거나 심지어 매개 역할을 할 수 있다는 가설을 검증하는 것.
• 시간해상 분별 X선 산산각도를 사용하여 프로토타입 코발트산염인 La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$에서 전하 순서의 집단적 동역학을 탐구하며, 1meV 이하 에너지 해상도를 확보하는 것.

제안 방법

• 50-fs 레이저 펄스로 시스템을 자극하고, 자유전자 레이저에서 유래한 60-fs X선 펄스를 사용하여 130-fs 시간 해상도로 반응을 탐측하는 초고속 공명 연성 연의 X선 산산각도(tr-RSXS).
• 구리의 $L_{3/2}$ 에지(933 eV)에서의 공명 X선 산산각도를 통해 산화 상태 전하 순서를 선택적으로 탐측하며, 복사광 배경을 분리하기 위해 에너지 통합 및 에너지 해상 검출을 수행.
• 40 ps 지연 범위를 스캔하여 0.103 meV에서 15.9 meV까지 에너지 스케일을 접근하며, 시간-에너지 불확도 원리에 의해 1meV 이하 해상도 확보.
• 전하 순서 진동자의 감쇠율 $\gamma(q)$를 추출하기 위해 동적 구조 인자 $S(\vec{Q}_{CO}+\vec{q}, \omega)$ 분석.
• 스트립-정렬된 전하 순서의 장파장 동역학을 모델링하기 위해 뉴웰-화이트헤드 진폭 방정식을 적용하며, 주기적 패턴 주변의 선형 안정성 분석을 수행.
• 감소된 단위에서 감쇠율 $\gamma(q) = 2\epsilon + q^2$ 유도 및 물리적 단위로 변환하여 $\gamma(q) = \frac{2\epsilon}{\tau_0} + \frac{(2q_0\xi_0^2)^2}{\tau_0}q^2$로 변환하여 이론적 동역학과 실험 데이터를 연결.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2 meV 이하 에너지 스케일에서 La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$의 전하 순서 동역학의 성격은 무엇인가?
• RQ2 시간 영역에서 전하 순서 변동은 확산적 행동인지 공명적 행동을 보이는가?
• RQ3 전하 순서의 저에너지 영역에서 동적 임계 스케일링의 증거가 있는가?
• RQ4 전하 순서의 동역학은 위상 결함을 포함한 유체역학 모델로 기술될 수 있는가?
• RQ5 관측된 감쇠율과 전하 순서 파장벡터로부터의 파장벡터 편이 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 에너지 스케일 $0.4$ meV $\lesssim \omega \lesssim 2$ meV 범위에서 전하 순서 진동자는 과다 감쇠되고 확산 동역학을 통해 전파되며, 결함의 브라운 운동과 일치한다.
• 0.4 meV 이하에서는 시스템이 동적 임계 스케일링을 나타내며, 이는 스트립 격자 내의 불완전성(예: 비틀림 결함)의 전파에 의해 지배되는 보편적 행동을 시사한다.
• 측정된 전하 순서 변동의 감쇠율은 감소된 단위에서 $\gamma(q) \approx 2\epsilon + q^2$를 따르며, 이는 유체역학적이고 확산적인 감쇠 메커니즘을 확인한다.
• 실험적 감쇠율은 이론 모델 $\gamma(q) = \frac{2\epsilon}{\tau_0} + \frac{(2q_0\xi_0^2)^2}{\tau_0}q^2$로 정량적으로 기술되며, 미시적 동역학과 거시적 감쇠를 연결한다.
• 공명 골드스톤 모드의 부재는 불순물 또는 결정립 경계에 의한 이동 대칭성 파괴가 장파장 위상 변동을 억제함을 시사한다.
• 결과는 전하 순서가 정적일 것이 아니라 동적으로 활성임을 시사하며, 고온 초전도성의 메커니즘에서 실질적인 역할을 할 수 있음을 지지한다.