[논문 리뷰] Connection between charge-density-wave order and charge transport in the cuprate superconductors

Wojciech Tabiś, Yilei Li외 18명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 30인용 수 135

한 줄 요약

이 연구는 높은 구조 대칭성과 페르미 액체 거동를 보이는 코발트산화물 HgBa2CuO4+δ (Hg1201)에서 전하 밀도파(CDW) 질서와 전하 운반 메커니즘 간의 상호작용을 조사한다. 공명 X선 산란을 통해 연구자들은 약 200 K 이하에서 짧은 거리의 CDW 상관관계를 관찰하였으며, 이는 페르미 액체 운반 메커니즘과 공존함을 확인하였다. 이는 CDW 질서가 이 물질에서 관측된 저온 양자 진동 반응을 이끄는 데 기여할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Charge-density-wave (CDW) correlations within the quintessential CuO$_2$ planes have been argued to either cause [1] or compete with [2] the superconductivity in the cuprates, and they might furthermore drive the Fermi-surface reconstruction in high magnetic fields implied by quantum oscillation (QO) experiments for YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+δ}$ (YBCO) [3] and HgBa$_2$CuO$_{4+δ}$ (Hg1201) [4]. Consequently, the observation of bulk CDW order in YBCO was a significant development [5,6,7]. Hg1201 features particularly high structural symmetry and recently has been demonstrated to exhibit Fermi-liquid charge transport in the relevant temperature-doping range of the phase diagram, whereas for YBCO and other cuprates this underlying property of the CuO$_2$ planes is partially or fully masked [8-10]. It therefore is imperative to establish if the pristine transport behavior of Hg1201 is compatible with CDW order. Here we investigate Hg1201 ($T_c$ = 72 K) via bulk Cu L-edge resonant X-ray scattering. We indeed observe CDW correlations in the absence of a magnetic field, although the correlations and competition with superconductivity are weaker than in YBCO. Interestingly, at the measured hole-doping level, both the short-range CDW and Fermi-liquid transport appear below the same temperature of about 200 K. Our result points to a unifying picture in which the CDW formation is preceded at the higher pseudogap temperature by $q$ = 0 magnetic order [11,12] and the build-up of significant dynamic antiferromagnetic correlations [13]. Furthermore, the smaller CDW modulation wave vector observed for Hg1201 is consistent with the larger electron pocket implied by both QO [4] and Hall-effect [14] measurements, which suggests that CDW correlations are indeed responsible for the low-temperature QO phenomenon.

연구 동기 및 목표

• 순수한 페르미 액체 운반 메커니즘이 Hg1201에 존재할 때 전하 밀도파(CDW) 질서와 호환되는가를 확인하는 것.
• 높은 구조 대칭성과 최소한의 전자 비균일성을 가진 코발트산화물에서 CDW 상관관계와 전하 운반 간의 관계를 조사하는 것.
• CDW 질서가 Hg1201과 YBCO에서 관측된 저온 양자 진동 반응을 설명할 수 있는가를 명확히 하는 것.

제안 방법

• Hg1201에서 전하 밀도파(CDW) 질서를 탐사하기 위해 Cu L극에서의 공명 X선 산란을 활용하였다.
• 내재된 CDW 상관관계를 분리하기 위해 자외선이 없는 상태에서 측정을 수행하였다.
• 페르미 액체 운반 메커니즘이 기대되는 최적 도핑 근처의 구멍 도핑 영역에 집중하였다.
• CDW 상관관계 강도와 온도에 따른 변화를 운반 성질과 비교하여 데이터 분석을 수행하였다.
• 특히 허구역과 반자성 질서와 관련하여 광범위한 코발트산화물 상도도의 맥락에서 결과를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Hg1201에서 전하 밀도파(CDW) 질서가 페르미 액체 운반 메커니즘과 공존하는가?
• RQ2 Hg1201에서 CDW 질서는 충분히 강하고 상관관계가 있어 저온 양자 진동 반응을 설명할 수 있는가?
• RQ3 Hg1201의 CDW 파장 벡터는 YBCO와 비교해 어떻게 다른가? 이는 페르미 표면 재구성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 Hg1201에서 CDW 질서의 발생 이전에 $q=0$ 자기 질서 또는 동적 반자성 상관관계가 존재하는가?
• RQ5 Hg1201에서 관측된 CDW 상관관계는 양자 진동 및 홀 효과 측정에서 유도된 전자 페키지 크기를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 자외선이 없는 조건에서 Hg1201에서 짧은 거리의 전하 밀도파(CDW) 상관관계가 관측되어 그 내재성의 성격을 확인하였다.
• CDW 질서는 약 200 K 이하에서 나타나며, 이는 페르미 액체 운반 메커니즘의 발생과 동시에 일어난다.
• Hg1201의 CDW 조절 파장 벡터는 YBCO보다 작으며, 이는 양자 진동 및 홀 효과 측정에서 추론된 더 큰 전자 페키지 크기와 일치한다.
• 200 K 이하에서 CDW 질서와 페르미 액체 운반 메커니즘이 공존함을 통해 CDW 형성이 저온 양자 진동 반응과 연결되는 통합 메커니즘을 시사한다.
• 결과는 CDW 질서가 양자 진동 실험에서 관측된 페르미 표면 재구성의 원인일 수 있음을 시사하며, 양자 진동 현상이 CDW에 의해 유도된다는 것을 지지한다.