[論文レビュー] The connection between superconducting phase correlations and spin excitations in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.6}$: A magnetic field study

Pengcheng Dai, H. A. Mook+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 17被引用数 116

ひとこと要約

本研究では、磁場がドーピング不足のYBa₂Cu₃O₆.₆における34 meVのスピン共鳴ピークを抑制することを示しており、特にCuO₂面に垂直に磁場を印加した場合にその効果が顕著である。これは共鳴が超伝導位相相関に敏感であることを示唆している。この抑制効果はTcを超えて持続するため、事前形成ペアを含むモデルが支持され、スピン揺動が直接的に超伝導ペア形成機構に関与していることが示唆される。

ABSTRACT

One of the most striking universal properties of the high-transition-temperature (high-$T_c$) superconductors is that they are all derived from the hole-doping of their insulating antiferromagnetic (AF) parent compounds. From the outset, the intimate relationship between magnetism and superconductivity in these copper-oxides has intrigued researchers. Evidence for this link comes from neutron scattering experiments that show the unambiguous presence of short-range AF correlations (excitations) in cuprate superconductors. Even so, the role of such excitations in the pairing mechanism and superconductivity is still a subject of controversy. For YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$, where $x$ controls the hole-doping level, the most prominent feature in the magnetic excitations spectra is the ``resonance''. Here we show that for underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.6}$, where $x$ and $T_c$ are below the optimal values, modest magnetic fields suppress the resonance significantly, much more so for fields approximately perpendicular rather than parallel to the CuO$_2$ planes. Our results indicate that the resonance measures pairing and phase coherence, suggesting that magnetism plays an important role in the superconductivity of cuprates. The persistence of a field effect above $T_c$ favors mechanisms with preformed pairs in the normal state of underdoped cuprates.

研究の動機と目的

• ドーピング不足のYBa₂Cu₃O₆.₆における超伝導位相相関とスピン励起の関係を調査すること。
• 外部磁場が超伝導状態およびTcを超えた状態における磁気共鳴モードに与える影響を特定すること。
• 共鳴が超伝導ペア形成および位相相関のプローブとして機能するかどうか、特に事前形成ペアの文脈で検証すること。
• 磁場の方向（c軸対ab面）に起因する共鳴の異方的応答を検討し、ペア形成メカニズムに課される対称性制約を明らかにすること。

提案手法

• 6.8 Tまでの外部磁場を印加した状態で、YBa₂Cu₃O₆.₆（Tc ≈ 62.7 K）の大口径単結晶を用いた中性子散乱実験を実施した。
• 動的スピン構造因子S(Q,ω)への磁気的寄与を分離するために、温度依存差分スペクトル（10 K 対 70 K）を用いた。
• 磁場をc軸方向（B||c）、ab面内方向（B||ab）、およびc軸方向の光学モードに沿って印加した。
• Tc未満およびTcを超えた状態での共鳴強度、エネルギー幅、スペクトル重みの変化を解析した。
• スペクトル重み再分配を評価するために、全磁気モーメント和則を適用し、弾性モード、光学モード、または準位ギャップモードに補償散乱が生じるかを調査した。
• 共鳴強度の磁場依存性をI/I₀ = 1 - B/B_charにフィッティングし、B_char = 36 Tが得られた。これは上臨界磁場B_c2 = 45 Tに近い値であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場がドーピング不足のYBa₂Cu₃O₆.₆におけるスピン共鳴の強度および幅にどのように影響を与えるか？
• RQ2 共鳴の磁場による抑制効果はTcを超えて持続するのか？ これは正常状態の性質に何を示唆するか？
• RQ3 なぜ磁場をc軸方向に印加した場合、ab面内方向に比べて効果が顕著に強いのか？
• RQ4 共鳴から失われたスペクトル重みはどこへ行くのか？ それは新たな励起またはQ-ω空間内での再分配によって補われているのか？
• RQ5 共鳴の磁場依存性は、超伝導位相相関および事前形成ペアの形成と結びつけることができるか？

主な発見

• c軸方向に6.8 Tの磁場を印加した場合、Tc未満で34 meVの共鳴強度が約30%低下し、これは面内磁場よりも顕著な効果であった。
• 共鳴の抑制効果はTcを超えて持続しており、これは磁場が超伝導揺らぎまたは事前形成ペアに関連する性質に影響を与えていることを示唆している。
• 共鳴強度の磁場依存性はI/I₀ = 1 - B/B_charに従い、B_char = 36 Tが得られた。これは上臨界磁場B_c2 = 45 Tに近く、超伝導体積分率に関連している可能性を示唆している。
• 磁場下で共鳴エネルギー幅が狭くなり、位相相関時間の増加が示唆された。一方、統合されたスペクトル重みは超伝導ペア密度と一致した。
• 弾性モード、光学モード、または準位ギャップモードに顕著な新たなスペクトル重みは観測されず、欠落した重みが通常の散乱幾何学では容易に検出できない可能性を示唆している。
• c軸方向への強い抑制という異方的応答は、層間トンネル模型を挑戦し、ペア形成メカニズムにインプレイン内スピン揺動と事前形成ペアが関与していることを支持している。