[論文レビュー] Strictly In-Plane Vortex-like Excitations in Pseudogap Region of Underdoped $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ Single Crystals

H. H. Wen, Z. Y. Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、磁場の向きを変化させた条件下でNernst効果を測定することにより、ドーピング不足の $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ の準ギャップ状態における厳密に面内に制限された渦状励起状態の直接的証拠を提供する。主な発見は、磁場をab面に印加した場合、$T_c$ よりもわずかに高い温度でNernst信号が急激にノイズレベル（10$^{-8}$ V）に落ち込むことである。これは、超伝導凝縮とコープアー対の一致したc軸方向の運動が同時に発生することを示しており、$T_c$ よりも高い温度に事前に形成された対を含む修正された層間トンネルモデルを支持する。結果は、$T_c$ よりも高い温度においても面内渦状励起が持続しており、Josephson結合の発現と密接に関連していることを確認する。

ABSTRACT

Nernst effect has been measured for an underdoped and an optimally doped $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ single crystal with the magnetic field applied along different directions. For both samples, when $H \|$ c, a significant Nernst voltage appears above $T_c$ and keeps measurable up to a high temperature (100 K) as reported by Xu et al.[ Nature 406, 486(2000) ]. However, when $H \|$ a-b plane the Nernst signal drops below the noise level quickly above $T_c$ for the underdoped sample. Moreover, the in-plane Nernst data with field at different angles shows a nice scaling behavior with the c-axis component of the field. All these give strong indication for strictly in-plane vortex-like excitations in pseudo-gap region.

研究の動機と目的

• ドーピング不足の $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ の準ギャップ領域における渦状励起状態の性質を調査すること。
• 渦状励起状態が厳密に面内に制限されているかどうか、およびその力学的挙動が磁場の向きにどのように依存するかを特定すること。
• 超伝導凝縮がコープアー対のc軸方向の秩序運動の確立と同時に発生するかどうかを明確にすること。
• 層間トンネル（ILT）モデルが準ギャップ状態を説明するために有効であるかどうかを検証すること。

提案手法

• 高品質な $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ 単結晶（$x = 0.09$：ドーピング不足、$x = 0.15$：最適ドーピング）を用い、1ヒーター2温度計法によるNernst効果の測定。
• 磁場をc軸方向（$H\|c$）およびab面方向（$H\|ab$）に印加し、異方性のある渦の力学を調べる。
• Faraday効果信号と非対称接触による熱起電力のキャンセレーションのため、磁場スイープ差動測定を用いる。
• Nernst電圧 $V_N$ をc軸方向の磁場成分および温度の関数として分析し、スケーリング挙動を抽出する。
• 異なる磁場向きにおける$T_c$ よりも高い温度でのNernst信号の比較により、渦状励起状態の空間的範囲および移動度を推定する。
• 温度安定性 <0.01 K、最大12 Tの磁場を発生可能な高精度冷却装置（Oxford Maglab-12）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング不足の $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ の準ギャップ状態における渦状励起状態は、Cu-O面に厳密に制限されているか？
• RQ2 磁場の向きが結晶面に対してどのように変化するかがNernst信号に与える影響は？
• RQ3 磁場をab面に印加した場合、$T_c$ よりも高い温度でNernst信号が消えることは、超伝導凝縮とc軸方向の秩序運動の同時発生を示唆するか？
• RQ4 事前に形成されたコープアー対は、$T_c$ よりも高い温度における面内渦状励起の生成に果たす役割は何か？
• RQ5 c軸方向の磁場成分に従ってNernst信号がスケーリングする挙動は、修正された層間トンネルモデルで説明可能か？

主な発見

• ドーピング不足試料（$T_c = 30K$）において、磁場をab面に印加した場合、$T_c$ よりわずかに高い温度でNernst信号が急激にノイズレベル（10$^{-8}$ V）に低下し、渦の力学的挙動に急激な転移が生じることを示している。
• 磁場をc軸方向に印加した場合、Nernst信号は100 Kまで測定可能であり、以前の報告と一致しており、準ギャップ状態に長寿命の渦状励起が存在することを示している。
• Nernst信号はc軸成分に普遍的にスケーリングしており、観測された効果が面内渦状励起によって駆動されていることを確認している。
• ab面に磁場を印加した場合にNernst信号が急速に抑制されることから、超伝導凝縮とコープアー対のc軸方向の秩序運動の同時発生が示唆される。
• データは、凝縮エネルギーが$T_c$ よりも高い温度に存在する対の形成と、c軸方向の秩序化に伴う運動エネルギーの低減の両方から生じる修正された層間トンネルモデルを支持している。
• 結果は、準ギャップ領域に厳密に面内に制限された渦状励起状態が存在し、事前に形成されたコープアー対が$T_c$ よりも高い温度にまで存在することを強く裏付けている。