[論文レビュー] Direct observation of multiple spin zeroes in the underdoped high temperature superconductor YBa2Cu3O6+x

Suchitra E. Sebastian, N. Harrison+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2011

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、85 Tおよび71°の磁場配向において、アンダードープYBa₂Cu₃O₆₊ₓの量子揺らぎにおける2つの明確なスピンゼロの直接観測を報告する。これにより、主要なフェルミ表面パッチの再正規化されたg因子$g^{*}$が1.6〜1.9の範囲にきわめて厳密に制約され、$g^{*}$の強い抑制は排除され、面内と面外方向におけるg因子の異方性が示唆される。フェルミ表面構造におけるスプリング効果がねじれ効果を上回ることが判明した。

ABSTRACT

We report the direct observation of multiple `spin zeroes' in angle-dependent magnetic quantum oscillations measured up to 85T in YBa2Cu3O6+x, at which the amplitude falls to a deep minimum accompanied by a phase inversion of the measured quantum oscillations, enabling the product of the effective mass and effective g-factor m*g* to be tightly constrained. We find an evolution of the location of the spin zeros with applied magnetic field, and suggest that this effect and the absence of a spin zero at low angles can be produced by more than one Fermi surface component, and an effective g-factor with a subtle anisotropy between in-plane and out-of-plane crystalline directions.

研究の動機と目的

• アンダードープ高Tc超伝導体におけるフェルミ表面の性質に関する長年の曖昧さを解消するため、量子揺らぎにおけるスピンゼロの直接観測を目的とする。
• 低角度に制限された先行研究の限界を克服し、複数のスピンゼロを検出することで、再正規化されたg因子$g^{*}$を明確に特定することを目的とする。
• 競合する秩序パラメータ（例：スピン密度波、d密度波）を区別するため、$g^{*}$を制約しフェルミ表面の異方性を調べることを目的とする。
• フェルミ表面のスプリング効果とねじれ効果の相対的寄与が、角度依存および磁場依存の量子揺らぎ行動を説明するにあたり、その役割を解明することを目的とする。
• 高磁場・高精度な角度測定を用いて、面内と面外方向におけるg因子の異方性の仮説を検証することを目的とする。

提案手法

• 85 Tまでの磁場で、0.2°未満の角度分解能を有する回転可能サンプルホルダーを用いて、角度依存量子揺らぎ測定を実施した。
• サンプルと近接検出コイルのイン-situ回転を可能にする非接触コンダクタンス技術を採用し、0° ≤ θ ≤ 71°の範囲で揺らぎを測定した。
• パンケーク投影コイルを用いて、磁場のc軸成分$B\cos\theta$を正確に決定し、磁場の投影を高精度で行った。
• 全角度および磁場範囲にわたってフィットするため、スプリング（$\Delta F_{{\rm s},i}$）およびねじれ（$\Delta F_{{\rm w},i}$）パラメータを含む最小2成分フェルミ表面モデルを採用した。
• 揺らぎ振幅は、$a = \sum_i a_i R_{{\rm s},i} R_T \exp(-\Gamma_i / B\cos\theta) J_0(2\pi \Delta F_{{\rm w},i}/B\cos\theta) \cos(2\pi \Delta F_{{\rm s},i}/B\cos\theta) \cos(2\pi F_i / B\cos\theta - \pi)$の式を用いてモデル化した。Zeeman分裂と減衰を組み込んだ。
• g因子の異方性は、$g^{*} = g^{*}_z \sqrt{\cos^2\theta + \frac{1}{\xi}\sin^2\theta}$で記述され、$\xi \approx 1.4$がデータに良好に適合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダードープYBa₂Cu₃O₆₊ₓにおいて、高磁場および高角度条件下で複数のスピンゼロを実験的に観測可能か？
• RQ2 主要なフェルミ表面パッチの再正規化されたg因子$g^{*}$の値は何か？また、フェルミ表面トポロジーの仮定に依存せずに特定可能か？
• RQ3 約16°における低角度スピンゼロの不在は、g因子の抑制を示唆するのか、それともg因子の異方性で説明可能か？
• RQ4 スピンゼロの位置の角度依存性は、フェルミ表面のスプリング効果かねじれ効果のどちらによって最もよく説明されるか？
• RQ5 面内と面外方向におけるg因子の異方性が、量子揺らぎの位相および振幅に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• スピンゼロが約53°–57°および16°–20°の角度で明確に観測され、それぞれ$2n+1 = 5$および$2n+1 = 3$に対応した。
• 主要なフェルミ表面成分の再正規化されたg因子$g^{*}$は、フェルミ表面トポロジーに依存せず、1.6–1.9の範囲にきわめて厳密に制約された。
• 特定のスピン密度波モデルが予測する未再正規化$g_{\rm s}$因子の強い抑制は、観測された$g^{*}$値によって排除された。
• データは、スプリング効果（$\Delta F_{{\rm s},\alpha} = 6$ T、$\Delta F_{{\rm s},\gamma} = 90$ T）が支配的で、ねじれ効果が無視できるほど小さい（$\Delta F_{{\rm w},i0} \approx 0$）モデルで最もよく説明された。
• g因子の異方性は、$g^{*} = g^{*}_z \sqrt{\cos^2\theta + \frac{1}{\xi}\sin^2\theta}$（$\xi \approx 1.4(1)$）で記述され、低角度スピンゼロの不在を説明し、位相および振幅データに良好に適合した。
• 大角度（$\theta \gtrapprox 60^\circ$）における振幅の約30％の抑制は、主に複数のフェルミ表面成分の寄与によって説明され、従来の減衰効果とは異なる。