[论文解读] Discovery of slow magnetic fluctuations and critical slowing down in the pseudogap phase of YBa$_2$Cu$_3$O$_y$

Jian Zhang, Zhaofeng Ding+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用单晶 YBa₂Cu₃Oᵧ 中的μ子自旋松弛（µSR）检测赝能隙相中 T∗ 附近缓慢的磁涨落和临界慢化现象。观测到的场依赖松弛速率符合 Redfield 关系，揭示出相关时间 τc ≈ 10⁻⁶ s 和局域场 B_loc^rms ≈ 1–10 mT，为局域晶胞内磁序的涨落提供了有力证据，解决了长期以来在 NMR/µSR 中未观测到静态场但存在对称性破缺序的矛盾。

ABSTRACT

Evidence for intra-unit-cell (IUC) magnetic order in the pseudogap region of high-$T_c$ cuprates below a temperature $T^\ast$ is found in several studies, but NMR and $μ$SR experiments do not observe the expected static local magnetic fields. It has been noted, however, that such fields could be averaged by fluctuations. Our measurements of muon spin relaxation rates in single crystals of YBa$_2$Cu$_3$O$_y$ reveal magnetic fluctuations of the expected order of magnitude that exhibit critical slowing down at $T^\ast$. These results are strong evidence for fluctuating IUC magnetic order in the pseudogap phase.

研究动机与目标

• 解决对称性敏感实验显示的晶胞内（IUC）磁序与高 Tc 铜氧化物中 NMR 和 µSR 实验未观测到静态局域场之间的矛盾。
• 研究晶胞内磁序的动态慢涨落是否可平均掉静态局域场，从而解释 NMR 和 µSR 中未观测到场的原因。
• 利用纵向场 µSR 确定这些涨落的特征关联时间 τc 和均方根局域场 B_loc^rms。
• 检验观测到的松弛行为是否与 T∗ 附近的临界慢化一致，表明存在量子临界点。
• 通过在高纯度银样品上进行对照实验，排除系统误差和替代松弛机制（如 Korringa 松弛）的影响。

提出的方法

• 在氧含量（y = 6.72–6.95）和 Tc = 73–91 K 不同的 YBa₂Cu₃Oᵧ 单晶上进行纵向场（LF）和零场（ZF）μ子自旋松弛（µSR）测量。
• 分析 LF 松弛速率 λ_LF(H_L) 的场依赖性，以检验其是否符合 Redfield 关系：λ_LF(H_L) = (γ_μ²⟨B_loc²⟩τ_c) / (1 + (γ_μ H_L τ_c)²)。
• 在 TRIUMF 和 ISIS 对高纯度银（6N）样品进行对照实验，评估系统误差，包括背景贡献和μ子在闪烁体中的停止效应。
• 测量银样品中的松弛速率，以建立基线值（λ_Ag ≈ 0.5–3 ms⁻¹），确认 YBCO 中观测到的信号并非仪器伪影。
• 通过估算 B_loc^rms 需达约 10 T 才能产生观测到的速率，排除 Korringa 松弛作为高温背景的来源，该值在物理上过大。
• 聚焦于 T_c 和 T∗ 以下的温度，以避免超导态中μ子跳跃和磁通动力学带来的复杂影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否具有关联时间 τc ≈ 10⁻⁶ s 的缓慢磁涨落可解释尽管存在晶胞内磁序证据，但 NMR 和 µSR 中未观测到静态局域场？
• RQ2 纵向场 µSR 松弛速率的场依赖性是否与具有单一关联时间的马尔可夫涨落的 Redfield 关系一致？
• RQ3 松弛速率是否在 T∗ 处出现最大值，表明与量子临界点相关的临界慢化？
• RQ4 YBCO 中观测到的松弛速率是否源于本征磁涨落，而非 µ子停止或背景信号的系统误差？
• RQ5 能否从 LF-µSR 数据中可靠地提取出均方根局域场 B_loc^rms 和关联时间 τc，且其数量级是否与 IUC 磁序的预期相符？

主要发现

• YBa₂Cu₃Oᵧ 中纵向场 µSR 松弛速率 λ_LF(H_L) 的场依赖性与 Redfield 关系定量一致，证实了存在缓慢的马尔可夫磁涨落。
• 在 T_mag ≈ T∗ ≈ 200 K 处观测到松弛速率的最大值，表明在赝能隙转变附近磁涨落出现临界慢化。
• 提取的关联时间 τc 约为 10⁻⁶ s，均方根局域场 B_loc^rms 估计为 1–10 mT，与晶胞内磁序的预期一致。
• 高纯度银样品的对照实验显示无场依赖性松弛，背景速率约为 0.5–3 ms⁻¹，证实系统误差可忽略，YBCO 中观测到的信号为本征信号。
• 高温背景松弛速率（约 1–3 ms⁻¹）无法由 Korringa 松弛解释，因其要求局域场达约 10 T，这在物理上不现实。
• 结果为赝能隙相中存在涨落的晶胞内磁序提供了有力证据，解决了对称性敏感实验与局域探针测量之间长期存在的矛盾。