[论文解读] Ferro-type order of magneto-electric quadrupoles as an order-parameter for the pseudo-gap phase of a cuprate superconductor

S W Lovesey, D. D. Khalyavin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，在欠掺杂YBCO中，铜位点磁电四极矩的铁电型序是赝能隙相的序参量，统一了 Kerr 效应与中子衍射数据。该理论解释了在 T* 处不存在传统磁性或结构相变的原因，并首次提供了实验证据，表明中子受到磁电多极矩的偏转。

ABSTRACT

Understanding the pseudo-gap phase from which a superconducting state emerges is a central problem in the physics of cuprates. The phase exists below a temperature T* for less than optimal doping of holes, and no clear jump in the specific heat or change in lattice symmetry is observed on crossing T*. Here we show that, two sets of intriguing experimental results in the literature concerning magnetic properties of underdoped YBCO are united in a single theory based on Cu quadrupole moments. The quadrupole is a product of spin and the electric dipole, so there is no magnetic dipole moment, and standard crystallography describes the magnetic motif. One experiment employed the Kerr effect and the second Bragg diffraction of polarized neutrons, and both are shown to imply an order-parameter for the pseudo-gap phase composed of magneto-electric quadrupoles at in-plane Cu sites in a ferro-type order. The successful interpretation of neutron diffraction data for YBCO yields the first experimental evidence that neutrons are deflected by magneto-electric multipoles. Predicted in 2014, our verification of the effect validates a new application for the experimental technique of choice in studies of magnetic motifs and excitations.

研究动机与目标

• 解决欠掺杂铜酸盐中赝能隙相长期存在的谜题，该相在 T* 处缺乏明显的对称性破缺或熵变。
• 解释两个看似无关的实验观测：YBCO 中的 Kerr 效应与偏振中子布拉格衍射。
• 识别一种新型序参量，涉及由自旋与电偶极矩耦合形成的铜四极矩，构成磁电多极矩。
• 证明这些多极矩可形成铁电型有序，为赝能隙相提供一致的解释。
• 验证中子散射对磁电多极矩敏感，扩展了中子衍射的应用范围。

提出的方法

• 理论建模铜位点四极矩的产生，源于自旋与电偶极矩的耦合，形成磁电四极矩。
• 应用群论确定所提议序参量的对称性，与观测到的实验选择规则一致。
• 分析 Kerr 效应数据，显示时间反演对称性破缺与镜像对称性破缺，与横向四极矩序一致。
• 将偏振中子衍射数据解释为非磁性、自旋-电荷纠缠多极矩的证据，而非传统磁矩。
• 利用中子散射截面形式理论，表明即使在净磁偶极矩为零的情况下，磁电四极矩仍可贡献于散射。
• 将理论预测与 YBCO 的实验数据进行比较，确认其与观测到的强度和角度依赖性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂 YBCO 中，驱动赝能隙相的隐含序参量的本质是什么？
• RQ2 如何一致地解释 Kerr 效应与偏振中子衍射数据——两者均表明时间反演与镜像对称性破缺？
• RQ3 由自旋-电偶极矩纠缠产生的磁电四极矩，能否作为不破缺晶格对称性的可行序参量？
• RQ4 中子散射是否对磁电多极矩敏感，且能否通过实验验证？
• RQ5 在 T* 处不存在传统磁性或结构相变的情况下，铜位点四极矩的作用是什么？

主要发现

• 欠掺杂 YBCO 中的赝能隙相由面内铜位点磁电四极矩的铁电型序驱动。
• 所提出的序参量将 Kerr 效应（表明时间反演对称性破缺）与偏振中子衍射（表明非磁性散射）统一于单一理论框架。
• 中子衍射数据成功解释为来自磁电多极矩的散射，首次提供了实验证据，表明中子受到此类多极矩的偏转。
• 该理论解释了在 T* 处无比热异常或晶格对称性变化的原因，因为该序不与传统长程序相关。
• 四极矩序与中子散射中观测到的选择规则和角度依赖性一致，验证了该模型。
• 该工作确立了中子散射的新范式，表明其对自旋-电荷纠缠多极矩的敏感性，超越了对传统磁矩的敏感性。