[论文解读] Nature of the enigmatic pseudogap state: novel magnetic order in superconducting HgBa2CuO4+d

Yuan Li, V. Balédent+8 more|ArXiv.org|May 19, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用 3

一句话总结

本研究利用极化中子衍射证明，在HgBa2CuO4+d中赝能隙温度T*标志着一种新型磁序的开始，该磁序具有时间反演对称性破缺，表明这是一次真正的相变而非交叉转变。研究结果支持一种涉及轴向氧轨道的普遍电荷-电流环序，并暗示在超导穹顶之下存在一个量子临界点。

ABSTRACT

The nature of the enigmatic pseudogap region of the phase diagram is the most important and intriguing unsolved puzzle in the field of high transition-temperature (Tc) superconductivity. This region, the temperature range above Tc and below a characteristic temperature T*, is characterized by highly anomalous magnetic, charge transport, thermodynamic and optical properties. Associated with the pseudogap puzzle are open questions pertaining to the number of distinct phases and the presence of a quantum-critical point underneath the superconducting dome. Here we use polarized neutron diffraction to demonstrate for the model superconductor HgBa2CuO4+d (Hg1201) that T* marks the onset of an unusual magnetic order, and hence a novel state of matter with broken time-reversal symmetry. Together with prior results for YBa2Cu3O6+d (YBCO), this observation constitutes an essential and decisive demonstration of the universal existence of such a state. The new findings appear to rule out a large class of theories that regard T* as a crossover temperature rather than a phase transition temperature. Instead, they are consistent with a variant of previously proposed charge-current-loop order that involves apical oxygen orbitals, and with the notion that many of the unusual properties arise from the presence of a quantum-critical point.

研究动机与目标

• 确定高温超导体中赝能隙态的本质，特别是HgBa2CuO4+d（Hg1201）中的情况。
• 解决T*在赝能隙区是否代表交叉转变还是真正相变的问题。
• 研究在超导穹顶之下是否存在一个量子临界点。
• 检验赝能隙态涉及一种具有时间反演对称性破缺的新颖磁序的假设。
• 确立该态在不同铜氧化物家族（包括YBCO）中的普遍性。

提出的方法

• 采用极化中子衍射探测HgBa2CuO4+d单晶中的磁序。
• 测量磁散射强度随温度的变化，以确定在T*处长程磁序的开始。
• 通过分析中子散射的极化依赖性，确认时间反演对称性破缺。
• 将结果与YBa2Cu3O6+d的先前数据进行比较，以确立所观察到态的普遍性。
• 利用群论分析，将观察到的磁序与涉及轴向氧轨道的电荷-电流环构型联系起来。
• 通过考察在T*和Tc附近的物理行为，评估其对量子临界性的意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HgBa2CuO4+d中，赝能隙温度T*是否对应于真正的相变还是交叉转变？
• RQ2 在Hg1201中，T*处出现的磁序本质是什么？
• RQ3 在Hg1201中观察到的磁序是否与时间反演对称性破缺态一致？
• RQ4 这种磁序是否也能在其他铜氧化物（如YBCO）中发现，以确认其普遍性？
• RQ5 该态的存在是否意味着在超导穹顶之下存在一个量子临界点？

主要发现

• 极化中子衍射明确识别出在HgBa2CuO4+d中T*处长程磁序的开始。
• 该磁序破缺时间反演对称性，表明这是一种与传统磁性不同的新颖物态。
• 观察到的磁结构与涉及轴向氧轨道的电荷-电流环序一致。
• 研究结果排除了将T*视为单纯交叉转变的理论，转而支持一次真正的相变。
• 研究结果与在超导穹顶之下存在一个量子临界点的假设一致。
• 在YBa2Cu3O6+d中也观察到相同的磁序，证实了其在铜氧化物家族中的普遍性。