[論文レビュー] Incommensurate Phonon Anomaly and the Nature of Charge Density Waves in Cuprates

H. Miao, Daisuke Ishigawa+7 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Dec 12, 2017

Solidification and crystal growth phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、銅酸化物系 La1.875Ba0.125CuO4 における不釣り合いフォノン異常が、温度依存的な波数を持つことが明らかになった。これは、CDW転移温度以下の領域で 0.238 r.l.u. であったのに対し、300 K では 0.3 r.l.u. にシフトする。この高温領域の挙動は、'214'型および非-'214'型を含むさまざまな銅酸化物ファミリーに共通する普遍的なCDW不安定性を示唆している。

ABSTRACT

While charge density wave (CDW) instabilities are ubiquitous to superconducting cuprates, the different ordering wavevectors in various cuprate families have hampered a unified description of the CDW formation mechanism. Here we investigate the temperature dependence of the low energy phonons in the canonical CDW ordered cuprate La$_{1.875}$Ba$_{0.125}$CuO$_{4}$. We discover that the phonon softening wavevector associated with CDW correlations becomes temperature dependent in the high-temperature precursor phase and changes from a wavevector of 0.238 reciprocal space units (r.l.u.) below the ordering transition temperature up to 0.3~r.l.u. at 300~K. This high-temperature behavior shows that "214"-type cuprates can host CDW correlations at a similar wavevector to previously reported CDW correlations in non-"214"-type cuprates such as YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6+δ}$. This indicates that cuprate CDWs may arise from the same underlying instability despite their apparently different low temperature ordering wavevectors.

研究の動機と目的

• 標準的なCDW秩序状態を示す銅酸化物 La1.875Ba0.125CuO4 における低エネルギーフォノンの温度依存性を調査すること。
• '214'-型銅酸化物におけるCDW相関が、YBCO などの非-'214'型銅酸化物と同様の波数を持つかどうかを特定すること。
• 異なる銅酸化物ファミリーにおけるCDWが、秩序波数が異なるにもかかわらず、共通の根本的不安定性に起因するという仮説を検証すること。
• 高分解能非弾性X線散乱（IXS）を用いて、転移温度より上の領域におけるCDWプリカursors状態の性質を解明すること。

提案手法

• SPring-8のBL43LXUにて、21.75 keVのX線ビームを用い、擬似ボイド関数を用いた機器関数による高分解能非弾性X線散乱（IXS）測定を実施した。
• CDWのブラaggピークが TCDW = 55 K 以下で発現する Q = (0, 0.25, 14.5) r.l.u. 近辺のc軸方向変位モードに注目した。
• 面内方向のフォノンモードに感度を高めるために、大きなLジオメトリを採用し、動量分解能 (δH, δK, δL) = (0.02, 0.02, 0.2) r.l.u. を達成した。
• K方向に 0.02 r.l.u. 間隔でスペクトルを取得し、1点あたり1時間の積分時間とし、プラスチック基準物質を用いて信号の正規化を実施した。
• 300 K から 55 K の広い温度範囲にわたりフォノン分散および線幅を解析し、異常状態の進化を追跡した。
• 理論予測および先行研究と比較することで、フォノン異常の波数の進化を同定した。

Figure 1: Room temperature phonon dynamic structure factor $S(\textbf{\em Q},\omega)$ of La 1.875 Ba 0.125 CuO 4 . (a) Colormap around $(0,K,14.5)$ for $K=0\rightarrow 0.5$ r.l.u. showing two modes labeled M1 and M2 that match theoretical predictions shown as dotted lines. (b) - (g) show representat

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La1.875Ba0.125CuO4 におけるフォノン異常波数は、CDW転移温度より上でも一定であるか？
• RQ2 高温領域において、'214'-型銅酸化物におけるCDW相関が、YBa2Cu3O6+δ などの非-'214'型銅酸化物と同等の波数を持つのか？
• RQ3 フォノン異常の温度依存的進化が、さまざまな銅酸化物ファミリーに共通する普遍的なCDW不安定性を示す証拠となり得るか？
• RQ4 CDWプリカursorsフラクチュエーションは、TCDW よりも高い温度領域でフォノンスペクトルにどのように現れるか？
• RQ5 観測された波数シフトは、電荷、スピン、格子自由度の間の結合に起因しているのか？

主な発見

• La1.875Ba0.125CuO4 におけるフォノン異常波数は、TCDW = 55 K 以下の領域で 0.238 r.l.u. であったのに対し、300 K では 0.3 r.l.u. に増加した。
• この高温領域における波数シフトは、'214'型銅酸化物におけるCDW相関が、YBCO などの非-'214'型銅酸化物で観測されたものと整合することを示している。
• 温度依存的な波数の進化は、多様な銅酸化物ファミリーに共通するCDW不安定性の起源を示唆している。
• フォノン異常はTCDWを超えて鋭く明確に保たれており、高温相においても短距離CDW相関が存在することを示している。
• 観測された波数の進化は、単純な静的CDWモデルとは整合せず、代わりに動的でフラクチュエーティングなCDWプリカursor状態を支持している。
• 結果から、CDWとスピン密度波（SDW）相関が、スピンギャップが存在しない状態でも、その非共鳴性がロックされる形で結合していることが示唆される。

Figure 2: Temperature dependence of the La 1.875 Ba 0.125 CuO 4 phonon spectra. (a)-(c) Elastic line subtracted and Bose-factor corrected IXS spectra at $K=0.09$ , $0.23$ and $0.35$ r.l.u. respectively. Purple, green and red circles are correspond to data at 12, 130 and 300 K, respectively. Strong t