[论文解读] Quantum Spin Excitations through the metal-to-insulator crossover in $Y Ba_2 Cu_3 O_{6+y}$

Shiliang Li, Z. Yamani+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2007

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射技术研究了欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₄₅（Tc = 48 K）中的量子自旋激发，发现在金属-绝缘体转变交叉点（MIC）以下（y ≈ 0.5）存在一个展宽的、无能隙的共振模式。与具有尖锐共振和自旋能隙的最优掺杂YBCO不同，YBa₂Cu₃O₆.₄₅中缺乏自旋能隙以及各向同性的、沙漏状的色散关系，表明该共振模式是金属基态超导体的基本特征，而非所有高温超导铜氧化物的普遍性质。

ABSTRACT

We use inelastic neutron scattering to study the temperature dependence of the spin excitations of a detwinned superconducting YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.45}$ ($T_c=48$ K). In contrast to earlier work on YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.5}$ ($T_c=58$ K), where the prominent features in the magnetic spectra consist of a sharp collective magnetic excitation termed ``resonance'' and a large ($\hbarω\approx 15$ meV) superconducting spin gap, we find that the spin excitations in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.45}$ are gapless and have a much broader resonance. Our detailed mapping of magnetic scattering along the $a^\ast$/$b^\ast$-axis directions at different energies reveals that spin excitations are unisotropic and consistent with the ``hourglass''-like dispersion along the $a^\ast$-axis direction near the resonance, but they are isotropic at lower energies. Since a fundamental change in the low-temperature normal state of YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+y}$ when superconductivity is suppressed takes place at $y\sim0.5$ with a metal-to-insulator crossover (MIC), where the ground state transforms from a metallic to an insulating-like phase, our results suggest a clear connection between the large change in spin excitations and the MIC. The resonance therefore is a fundamental feature of metallic ground state superconductors and a consequence of high-$T_c$ superconductivity.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂YBa₂Cu₃O₆₊y中金属-绝缘体转变交叉点（MIC）附近的自旋激发演化。
• 确定超导共振模式与自旋能隙是否为金属基态的本征性质，还是仅在特定掺杂区域出现。
• 解决YBCO与LSCO在MIC附近自旋激发行为的差异，特别是自旋能隙与共振模式的存在与否问题。
• 评估电子非均匀性、晶格无序性以及条纹序在MIC附近对自旋激发谱的影响。

提出的方法

• 对一块解孪的YBa₂Cu₃O₆.₄₅单晶（Tc = 48 K）进行非弹性中子散射实验，以探测动量与能量空间中的自旋激发。
• 沿a*与b*方向测量磁散射强度，评估自旋激发色散的各向异性。
• 分析能量依赖的色散关系，以识别自旋能隙与共振模式的存在或缺失。
• 将结果与先前研究的YBCO样品（如YBCO-6.5，Tc = 58 K）及LSCO进行比较，以分离掺杂与基态演化的影响。
• 利用温度依赖性测量分离超导态效应，并将其与正常态行为区分开来。
• 通过与已知的结构与输运数据对比，评估氧链有序（正交-II与正交-I）及晶格无序性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 YBa₂Cu₃O₆.₄₅中自旋激发如何在金属-绝缘体转变交叉点（MIC）附近演化？
• RQ2 超导共振模式与自旋能隙是否为高温超导铜氧化物的普遍特征，还是仅属于金属基态？
• RQ3 在YBa₂Cu₃O₆.₄₅中观测到的展宽、无能隙共振模式的起源是什么？其与最优掺杂YBCO中尖锐、有能隙的共振模式有何不同？
• RQ4 电子非均匀性、条纹序或晶格无序在多大程度上影响了MIC附近的自旋激发谱？
• RQ5 自旋激发的各向异性如何随能量与掺杂浓度变化？这又对MIC附近费米面拓扑结构有何启示？

主要发现

• YBa₂Cu₃O₆.₄₅中的自旋激发谱为无能隙，并具有展宽的共振模式，这与最优掺杂YBCO-6.5中尖锐、有能隙的共振模式形成鲜明对比。
• 在共振能量附近，自旋激发沿a*方向呈现沙漏状色散，但在较低能量下则变为各向同性，表明自旋动力学随能量尺度发生变化。
• YBa₂Cu₃O₆.₄₅中自旋能隙的缺失与共振的展宽直接与y ≈ 0.5处的金属-绝缘体转变交叉点相关，此时基态由金属转变为类似绝缘体。
• 观测到的自旋激发行为与简单条纹模型不一致，表明MIC可能引发电子关联性的根本性变化，超越条纹序所能解释的范围。
• YBa₂Cu₃O₆.₄₅中低能自旋激发的各向同性与电阻率各向异性的降低相关，支持电子向列性与自旋动力学之间的关联。
• 结果表明，共振模式与自旋能隙是金属基态空穴掺杂超导体的基本属性，而非所有高温超导铜氧化物的普遍特征。