[论文解读] The nature of the charge density waves in under-doped YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.54}$ revealed by X-ray measurements of the ionic displacements

E. M. Forgan, E. Blackburn+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 10

一句话总结

本研究利用高分辨率X射线衍射揭示，在欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₄中，铜氧化物平面内的电荷密度波（CDWs）破坏了镜像对称性。离子位移包括垂直于平面和平面内的分量，其中最大位移发生在垂直于平面的平面内氧原子上。这种结构畸变解释了扫描隧道显微镜（STM）和软X射线实验中观测到的破对称性态，为铜氧化物中CDW序的微观起源提供了直接证据。

ABSTRACT

All underdoped high-temperature cuprate superconductors appear to exhibit charge density wave (CDW) order, but both the underlying symmetry breaking and the origin of the CDW remain unclear. We use X-ray diffraction to determine the microscopic structure of the CDW in an archetypical cuprate YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.54}$ at its superconducting transition temperature Tc ~ 60 K. We find that the CDWs present in this material break the mirror symmetry of the CuO2 bilayers. The ionic displacements in a CDW have two components: one perpendicular to the CuO$_2$ planes, and another parallel to these planes, which is out of phase with the first. The largest displacements are those of the planar oxygen atoms and are perpendicular to the CuO$_2$ planes. Our results allow many electronic properties of the underdoped cuprates to be understood. For instance, the CDW will lead to local variations in the doping (or electronic structure) giving an explicit explanation of the appearance of density-wave states with broken symmetry in scanning tunnelling microscopy (STM) and soft X-ray measurements.

研究动机与目标

• 确定在约60 K的超导转变温度下，欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₄中电荷密度波（CDWs）的微观结构。
• 解决高温铜氧化物中与CDW序相关的对称性破缺问题，尽管该现象已被广泛观测，但其机制仍不明确。
• 阐明CDW诱导的电子非均匀性的起源，特别是STM和软X射线测量中所见的电子非均匀性。
• 确定导致铜氧化物双层中CDW形成的离子位移的性质及其方向。

提出的方法

• 采用高分辨率X射线衍射技术探测接近其超导转变温度（T ≈ 60 K）的YBa₂Cu₃O₆.₅₄的晶体结构。
• 分析重点在于检测并量化与CDW序相关的离子位移，区分平面内与垂直于平面的分量。
• 该技术可精确测定原子位置及其调制模式，揭示了破对称性畸变。
• 结合CDW波矢与相位关系对数据进行解释，特别是垂直与平面内位移之间的反相耦合。
• 将结果与现有的STM和软X射线数据进行比较，以验证观测到的电子非均匀性的结构起源。
• 本研究结合实验X射线数据与对称性分析，确定了CDW的破对称性本质。

实验结果

研究问题

• RQ1 欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₅₄中电荷密度波的对称性破缺性质是什么？
• RQ2 离子位移（包括平面内与垂直于平面的分量）如何共同促成CDW序的形成？
• RQ3 为何扫描隧道显微镜与软X射线测量在欠掺杂铜氧化物中观测到破对称性态？
• RQ4 导致CDW形成的主导原子位移是什么？其方向如何？
• RQ5 所观测到的离子位移如何解释光谱测量中所见的局域电子非均匀性？

主要发现

• YBa₂Cu₃O₆.₅₄中的电荷密度波序破坏了铜氧化物平面的镜像对称性，表明其处于低对称性态。
• CDW中的离子位移具有两个分量：一个垂直于铜氧化物平面，另一个在平面内，且后者与前者反相。
• 最大的原子位移发生在平面内氧原子上，方向垂直于铜氧化物平面。
• 所观测到的CDW结构可直接解释扫描隧道显微镜（STM）与软X射线测量中观测到的破对称性电子态。
• CDW诱导的畸变导致局域掺杂与电子结构的变化，为欠掺杂铜氧化物中电子非均匀性的微观起源提供了依据。
• 结果建立了离子位移与CDW序出现之间的直接联系，解决了关于其对称性与起源的长期疑问。