[论文解读] Fluctuating charge order in the optimally doped high temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x

Sean Vig, Anshul Kogar+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究利用能量分辨率高达4.5 meV的动量分辨电子能量损失谱（M-EELS），揭示了最佳掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+x中动态、短程电荷序的存在，其准弹性涨落的时间尺度为160 fs。研究结果将这种电荷序与玻色子集体激发模式联系起来，解释了角分辨光电子能谱中出现的能隙结构，表明超导性与一种波动的、非均匀的电子态共存，该电子态影响电子-玻色子耦合。

ABSTRACT

The field of high temperature superconductivity has been revolutionized by the recent discovery of charge order in most families of underdoped copper-oxides. Little is known, however, about the dynamics of this order, or whether it is present in optimally doped materials in which superconductivity is most pronounced. Here we present the first momentum-resolved, electron energy-loss (M-EELS) study of charge order in an optimally doped high temperature superconductor, Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+x}$,carried out with energy resolution $\Delta$ E = 4.5 meV. We observed the emergence at low temperature of diffuse, short-ranged charge order that undergoes quasielastic fluctuations on a time scale $ au$ = 160 fs. This order interacts with several bosonic collective modes whose spectral weight provides a transparent understanding of the so-called kink structure observed with photoemission in this material. Our study suggests that superconductivity in the copper-oxides coexists with a dynamic, inhomogeneous state that influences the magnitude of electron-boson interactions.

研究动机与目标

• 研究高温超导体中最佳掺杂区域电荷序的存在及其动力学行为，该区域超导性最强。
• 确定尽管在欠掺杂区被抑制，电荷序是否仍存在于最佳掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+x中。
• 理解电荷序如何与集体电子激发模式相互作用，并影响铜氧化物中的电子-玻色子耦合。
• 为超导态中的电荷序动力学提供一种动量分辨、高分辨率的光谱探测手段。

提出的方法

• 采用能量分辨率ΔE = 4.5 meV的动量分辨电子能量损失谱（M-EELS）探测Bi2Sr2CaCu2O8+x中的电荷序。
• 在低温下测量光谱响应，以探测弥散的、短程电荷序的出现。
• 通过从准弹性涨落中提取的弛豫时间尺度τ = 160 fs，分析电荷序的时间动力学。
• 通过谱重分析，识别电荷序与多种玻色子集体激发模式之间的耦合。
• 将观测到的光谱特征与角分辨光电子能谱（ARPES）中观察到的能隙结构进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导性最强的最优掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+x中，电荷序是否存在？
• RQ2 在最优掺杂态下，电荷序的时间动力学如何？其涨落在何种时间尺度上发生？
• RQ3 在超导相中，电荷序如何与集体电子激发模式相互作用？
• RQ4 所观测到的电荷序动力学能否解释光电子能谱中的能隙结构？

主要发现

• 在最优掺杂的Bi2Sr2CaCu2O8+x中，低温下出现弥散的、短程电荷序，表明存在一种动态的、非均匀的电子态。
• 电荷序表现出准弹性涨落，其特征时间尺度为τ = 160 fs，揭示了其动态非均匀性。
• 电荷序的谱重与多种玻色子集体激发模式耦合，为光电子能谱数据中能隙结构的形成提供了直接解释。
• 超导性与波动电荷序的共存表明，电子-玻色子相互作用显著受这种非均匀态的影响。