[論文レビュー] Distinct fingerprints of charge density waves and electronic standing waves in ZrTe$_3$

Li Yue, Shangjie Xue+10 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 52被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、共振軟X線回折を用いてZrTe₃における電荷密度波（CDW）とフリーデル振動（FO）を区別し、異なる動量依存性および相関長を持つ2つの明確な回折信号を同定した。CDWとFOのシグナルは遷移温度付近で同時に現れるが、空間的・動的な分離を示し、不純物ピンナップによってFOの領域が静的になる。これにより、相関電子系における競合的現象を解明する明確な実験的手法が得られた。

ABSTRACT

Experimental signatures of charge density waves (CDW) in high-temperature superconductors have evoked much recent interest, yet an alternative interpretation has been theoretically raised based on electronic standing waves resulting from quasiparticles scattering off impurities or defects, also known as Friedel oscillations (FO). Indeed the two phenomena are similar and related, posing a challenge to their experimental differentiation. Here we report a resonant X-ray diffraction study of ZrTe$_3$, a model CDW material. Near the CDW transition, we observe two independent diffraction signatures that arise concomitantly, only to become clearly separated in momentum while developing very different correlation lengths in the well-ordered state. Anomalously slow dynamics of mesoscopic ordered nanoregions are further found near the transition temperature, in spite of the expected strong thermal fluctuations. These observations reveal that a spatially-modulated CDW phase emerges out of a uniform electronic fluid via a process that is promoted by self-amplifying FO, and identify a viable experimental route to distinguish CDW and FO.

研究の動機と目的

• 従来の測定法では区別がつかない場合が多い相関電子系における電荷密度波（CDW）とフリーデル振動（FO）を、実験的に動量空間およびダイナミクスの観点から区別すること。
• 止まりきった不純物が相転移温度付近でのミクロ的CDWナノ領域の形成と安定化に果たす役割を調査すること。
• 高分解能共振X線散乱を用いて、CDWとFOの寄与の空間的・動的分離を解明すること。
• 不純物由来のアーチファクトに対して頑健なCDW形成の明確な実験的シグナルを確立すること。
• FOとCDWが共存可能であるが、それらの異なる動量空間的挙動と相関長によって区別可能であることを実証すること。

提案手法

• 高分解能のコherent X線ビームを用い、高いフラックスと機械的安定性を実現した高精度の動量分解能を得るために、NSLS-IIのビームライン23-ID-1で共振軟X線回折（RSoXD）を実施した。
• 干渉縞の記録およびスパッタル解析によるドメイン構造とダイナミクスの検出のために、高分解能CCDカメラ（30×30 µm²ピクセル）を用いた。
• CDW回折信号強度を最大限に高めるために、Te 4dコア準位に共鳴する630 eVにX線ビームをチューニングした。
• CDWおよびFO回折シグナルの温度依存パラメータを抽出するために、異方的幅を持つ2次元ガウス関数フィッティングを適用した。
• ZrTe₃のフェルミ面およびネスティング特性をモデル化するために、Quantum Espressoパッケージを用いた密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 自己無撞着DFT計算には12×18×8 kグリッドを、その後の非自己無撞着計算には54×78×1 kグリッドを用いてフェルミ面をマップした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトタイプのCDW材料としてのZrTe₃において、CDWとフリーデル振動（FO）のシグナルを、動量空間およびダイナミクスの観点から実験的に区別できるか？
• RQ2 止まりきった不純物は、相転移付近でのミクロ的CDWナノ領域の形成と安定化にどのように寄与するか？
• RQ3 フェルミ面のネスティングと電子的不均一性が、自己増幅的FOを介してCDW形成を促進する役割を果たすか？
• RQ4 CDWとFOのシグナルが、類似した空間周期性を示し、T_CDW付近で共存しているにもかかわらず、なぜ依然として明確に区別されるのか？
• RQ5 共振X線散乱を用いて、CDWドメインのダイナミクスをFOの領域とは独立してプローブできるか？

主な発見

• ZrTe₃において、CDW転移温度付近で、CDWおよびFOに起因するとされる2つの独立した回折シグナルが同時に観測された。
• CDWシグナルは約(−0.07, 0, 0.67) r.l.u.に、FOシグナルはわずかに異なる波数ベクトルに位置し、それぞれ異なる動量空間的位置を示した。
• 秩序状態においてCDWの相関長は著しく増加したが、FOの相関長は短いままであり、物理的起源の違いを示した。
• ミクロ的CDWナノ領域は、強い熱揺らぎが存在する中で、T_CDW付近で異常に遅いダイナミクスを示し、自己組織的で不純物促進の核化過程である可能性を示唆した。
• 63 K未満でフリーデル振動の領域が強く不純物ピンナップにより完全に静的となったことから、CDW形成の種としての役割が確認された。
• T_CDW未満でCDWとFOの共存が確認され、CDWが完全なギャップを開かなかったことから、初期段階のFOが前身不安定性として持続した。