[论文解读] Incommensurate Phonon Anomaly and the Nature of Charge Density Waves in Cuprates

H. Miao, Daisuke Ishigawa+7 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Dec 12, 2017

Solidification and crystal growth phenomena被引用 11

一句话总结

本研究揭示，在铜氧化物La1.875Ba0.125CuO4中，非公度声子异常的波矢随温度变化，从CDW转变温度以下的0.238 r.l.u. 增加至300 K时的0.3 r.l.u.。这种高温行为表明，不同铜氧化物家族（包括'214'型与非'214'型）中均存在普遍的CDW不稳定性，尽管其低温有序波矢不同。

ABSTRACT

While charge density wave (CDW) instabilities are ubiquitous to superconducting cuprates, the different ordering wavevectors in various cuprate families have hampered a unified description of the CDW formation mechanism. Here we investigate the temperature dependence of the low energy phonons in the canonical CDW ordered cuprate La$_{1.875}$Ba$_{0.125}$CuO$_{4}$. We discover that the phonon softening wavevector associated with CDW correlations becomes temperature dependent in the high-temperature precursor phase and changes from a wavevector of 0.238 reciprocal space units (r.l.u.) below the ordering transition temperature up to 0.3~r.l.u. at 300~K. This high-temperature behavior shows that "214"-type cuprates can host CDW correlations at a similar wavevector to previously reported CDW correlations in non-"214"-type cuprates such as YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6+δ}$. This indicates that cuprate CDWs may arise from the same underlying instability despite their apparently different low temperature ordering wavevectors.

研究动机与目标

• 研究典型CDW有序铜氧化物La1.875Ba0.125CuO4中低能声子的温度依赖性。
• 确定'214'型铜氧化物中的CDW关联是否表现出与YBCO等非'214'型铜氧化物相似的波矢。
• 检验不同铜氧化物家族中CDW的产生源于同一基本不稳定性这一假设，尽管其有序波矢不同。
• 利用高分辨率非弹性X射线散射（IXS）探测转变温度以上CDW前驱态的性质。

提出的方法

• 在SPring-8的BL43LXU束线进行高分辨率非弹性X射线散射（IXS）测量，使用21.75 keV X射线束，仪器响应函数为伪-Voigt型。
• 聚焦于Q = (0, 0.25, 14.5) r.l.u. 附近的c轴位移模，该处CDW布拉格峰在TCDW = 55 K以下出现。
• 采用大L几何结构以增强对出平面声子模的灵敏度，动量分辨率(δH, δK, δL) = (0.02, 0.02, 0.2) r.l.u.。
• 在K方向以0.02 r.l.u. 间隔采集光谱，每点积分1小时，并使用聚丙烯酸酯标准进行信号归一化。
• 在300 K至55 K的宽温度范围内分析声子色散关系与线宽，追踪异常的演化过程。
• 将结果与理论预测及先前研究进行比较，以识别声子异常波矢的演化行为。

Figure 1: Room temperature phonon dynamic structure factor $S(\textbf{\em Q},\omega)$ of La 1.875 Ba 0.125 CuO 4 . (a) Colormap around $(0,K,14.5)$ for $K=0\rightarrow 0.5$ r.l.u. showing two modes labeled M1 and M2 that match theoretical predictions shown as dotted lines. (b) - (g) show representat

实验结果

研究问题

• RQ1 La1.875Ba0.125CuO4中的声子异常波矢在CDW转变温度以上是否保持恒定？
• RQ2 '214'型铜氧化物中的CDW关联在高温下是否表现出与YBa2Cu3O6+δ等非'214'型铜氧化物相当的波矢？
• RQ3 声子异常的温度演化是否可为不同铜氧化物家族中CDW不稳定性具有普遍性提供证据？
• RQ4 CDW前驱涨落在TCDW以上如何在声子谱中表现？
• RQ5 观测到的波矢变化是否与电荷、自旋与晶格自由度之间的耦合有关？

主要发现

• La1.875Ba0.125CuO4中声子异常波矢从TCDW = 55 K以下的0.238 r.l.u. 增加至300 K时的0.3 r.l.u.。
• 该高温波矢变化表明，'214'型铜氧化物中的CDW关联与YBCO等非'214'型铜氧化物中观测到的CDW关联一致。
• 温度依赖的波矢演化表明，不同铜氧化物家族中的CDW不稳定性具有共同起源。
• 声子异常在TCDW以上仍保持清晰锐利，表明高温相中存在短程CDW关联。
• 观测到的波矢演化与简单静态CDW模型不符，反而支持一种动态、涨落的CDW前驱态。
• 结果表明，CDW与自旋密度波（SDW）关联以某种方式耦合，使其非公度性相互锁定，即使在无自旋能隙的情况下亦然。

Figure 2: Temperature dependence of the La 1.875 Ba 0.125 CuO 4 phonon spectra. (a)-(c) Elastic line subtracted and Bose-factor corrected IXS spectra at $K=0.09$ , $0.23$ and $0.35$ r.l.u. respectively. Purple, green and red circles are correspond to data at 12, 130 and 300 K, respectively. Strong t