[論文レビュー] Ferro-type order of magneto-electric quadrupoles as an order-parameter for the pseudo-gap phase of a cuprate superconductor

S W Lovesey, D. D. Khalyavin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ドーピング不足のYBCOにおける銅サイトにおける磁電多極子のフェロ型秩序が、擬似ギャップ相の秩序パラメータであると提案する。この理論は、 Kerr効果と中性子回折のデータを統合し、T*における従来の磁気的・構造的転移の不在を説明する。さらに、中性子が磁電多極子によって偏光されることを示す初の実験的証拠を提供する。

ABSTRACT

Understanding the pseudo-gap phase from which a superconducting state emerges is a central problem in the physics of cuprates. The phase exists below a temperature T* for less than optimal doping of holes, and no clear jump in the specific heat or change in lattice symmetry is observed on crossing T*. Here we show that, two sets of intriguing experimental results in the literature concerning magnetic properties of underdoped YBCO are united in a single theory based on Cu quadrupole moments. The quadrupole is a product of spin and the electric dipole, so there is no magnetic dipole moment, and standard crystallography describes the magnetic motif. One experiment employed the Kerr effect and the second Bragg diffraction of polarized neutrons, and both are shown to imply an order-parameter for the pseudo-gap phase composed of magneto-electric quadrupoles at in-plane Cu sites in a ferro-type order. The successful interpretation of neutron diffraction data for YBCO yields the first experimental evidence that neutrons are deflected by magneto-electric multipoles. Predicted in 2014, our verification of the effect validates a new application for the experimental technique of choice in studies of magnetic motifs and excitations.

研究の動機と目的

• ドーピング不足の銅酸化物における擬似ギャップ相の長年の謎を解明すること。これは、T*において明確な対称性の破れやエントロピー変化を示さない。
• 2つの似ていないように見える実験的観察、すなわちYBCOにおけるKerr効果と偏光中性子ブラッグ回折を一貫して説明すること。
• スピンと電気双極子の積からなるCu四極モーメントを含む、新しい秩序パラメータを特定すること。この四極モーメントは磁電多極子を形成する。
• これらの多極子がフェロ型のパターンで秩序化できることを示し、擬似ギャップ相を一貫した形で説明すること。
• 中性子散乱が磁電多極子に感応することを実証し、中性子回折の適用範囲を拡張すること。

提案手法

• スピンと電気双極子の結合から生じるCuサイトの四極モーメントの理論的モデリングにより、磁電四極モーメントを形成する。
• 群論を用いて提案された秩序パラメータの対称性を決定し、観測された実験的選択則と整合させる。
• 時間反転対称性の破れと鏡対称性の破れを示すKerr効果データの分析により、横方向の四極秩序と整合する。
• 偏光中性子回折データを、従来の磁気モーメントではなく、非磁気的でスピン・電荷がエンタングルした多極子による散乱であると解釈する。
• 中性子散乱断面積の形式的取り扱いにより、ネット磁気双極モーメントがなくても磁電四極モーメントが散乱に寄与することを示す。
• 理論的予測をYBCOからの実験データと比較し、観測された強度と角度依存性と整合していることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング不足のYBCOにおける擬似ギャップ相を駆動する隠れた秩序パラメータの性質は何か？
• RQ2 Kerr効果と偏光中性子回折データの両方が、時間反転対称性と鏡対称性の破れを示しているが、これらを一貫して説明できるか？
• RQ3 スピン-電気双極子のエンタングルメントから生じる磁電四極モーメントは、格子対称性の破れを伴わず、秩序パラメータとして妥当であるか？
• RQ4 中性子散乱は磁電多極子に感応するか？ これは実験的に検証可能か？
• RQ5 T*における従来の磁気的・構造的転移が観測されない中で、Cuサイトの四極モーメントは果たす役割は何か？

主な発見

• ドーピング不足のYBCOにおける擬似ギャップ相は、面内Cuサイトにおける磁電多極子のフェロ型秩序によって駆動されている。
• 提案された秩序パラメータは、時間反転対称性の破れを示すKerr効果と、非磁気的散乱を示す偏光中性子回折を、一つの理論的枠組みに統合する。
• 中性子回折データは、磁電多極子からの散乱として成功裏に解釈され、中性子がこのような多極子によって偏光されることを示す初の実験的証拠を提供する。
• この理論は、T*における比熱異常や格子対称性の変化が観測されないことを説明する。秩序は従来の長距離秩序と関連しないからである。
• 四極秩序は、中性子散乱における観測された選択則と角度依存性と整合し、モデルの妥当性を裏付ける。
• 本研究は、中性子散乱の新しいパラダイムを確立し、従来の磁気モーメントを超えてスピン・電荷がエンタングルした多極子に感応することを示す。