[论文解读] Light-enhanced Charge Density Wave Coherence in a High-Temperature Superconductor

Scott Wandel, Fabio Boschini+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用 6

一句话总结

利用超快共振软X射线散射，本研究追踪了在红外激光淬灭超导性后，YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中电荷密度波（CDW）序的瞬态响应。结果揭示了CDW空间相干性的皮秒级非热增强——相关长度几乎翻倍，而振幅基本保持不变，表明超导性通过非均匀竞争稳定了CDW畴中的拓扑缺陷。

ABSTRACT

In high-T$_{C}$ cuprates, superconductivity and charge density waves (CDW) are competitive, yet coexisting orders. To understand their microscopic interdependence a probe capable of discerning their interaction on its natural length and time scales is necessary. Here we use ultrafast resonant soft x-ray scattering to track the transient evolution of CDW correlations in YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{6+x}$ following the quench of superconductivity by an infrared laser pulse. We observe a picosecond non-thermal response of the CDW order, characterized by a large enhancement of spatial coherence, nearly doubling the CDW correlation length, while only marginally affecting its amplitude. This ultrafast snapshot of the interaction between order parameters demonstrates that their competition manifests inhomogeneously through disruption of spatial coherence, and indicates the role of superconductivity in stabilizing topological defects within CDW domains.

研究动机与目标

• 在自然长度和时间尺度上解析高温铜氧化物中超导性与电荷密度波（CDW）序之间的微观相互依赖关系。
• 研究超导性的淬灭如何影响CDW关联的动力学与相干性。
• 确定超导性与CDW序之间的竞争在空间上是否均匀表现。
• 探究超导性在稳定CDW畴内拓扑缺陷中的作用。

提出的方法

• 采用超快共振软X射线散射，实现对CDW关联的元素选择性、动量分辨探测，时间分辨率低于1皮秒。
• 利用红外激光脉冲在YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中诱导非热超导态淬灭，破坏超导态。
• 通过时间分辨X射线衍射图案测量CDW关联长度和振幅的瞬态变化。
• 实时分析CDW序参量的演化，以区分振幅与相干性动力学。
• 采用非热激发协议，将超导序抑制效应与热效应分离。
• 利用共振X射线散射，以高灵敏度和动量分辨率选择性探测CDW序参量。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导性的抑制如何影响YBa₂Cu₃O₆₊ₓ中电荷密度波（CDW）序的空间相干性？
• RQ2 超导性与CDW序之间的竞争是否导致CDW关联的均匀或非均匀破坏？
• RQ3 在非热淬火后，CDW序的瞬态响应中，振幅与相干性的相对作用是什么？
• RQ4 超导性的存在如何影响CDW畴中拓扑缺陷的稳定性？
• RQ5 超快X射线散射能否以足够灵敏度解析CDW序参量的时间演化，以区分非热效应？

主要发现

• 在激光诱导的超导性淬火后，CDW关联长度几乎翻倍，表明空间相干性显著增强。
• CDW序的振幅基本保持不变，表明增强主要源于相干性的提高而非序参量强度的增加。
• 观测到的响应发生在皮秒时间尺度且为非热过程，表明超导序参量与CDW序参量之间存在直接电子耦合。
• 响应的非均匀性表明，超导性通过稳定CDW畴内的拓扑缺陷而发挥作用，当超导性被淬灭时，这些缺陷被破坏。
• 结果表明，超导性与CDW序之间的竞争在空间上并非均匀分布，相干性对超导配对抑制更为敏感。
• 超快共振软X射线散射成功实现了对CDW序瞬态演化的高时间与动量分辨率解析，揭示了非热动力学。