[论文解读] Neutron scattering study and analytical description of the spin excitation spectrum of twin-free YBa(2)Cu(3)O(6.6)

V. Hinkov, B. Keimer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究对无孪晶的 YBa₂Cu₃O₆.₆ 中自旋激发进行了高分辨率非弹性中子散射分析，推导出在 5 K 和 70 K 条件下以绝对单位表示的磁化率 χ′′(Q,ω) 的解析模型。结果揭示了自旋激发谱的拓扑结构发生变化——在 70 K 时表现为具有二重对称性的 'Y' 形色散，而在 5 K 时转变为具有较弱对称性的向下色散共振模，该变化归因于超导态与 Pomeranchuk 类型电子向列态液态晶体序之间的竞争。

ABSTRACT

We present a comprehensive inelastic neutron scattering study of the magnetic excitations in twin-free YBa(2)Cu(3)O(6.6) (Tc=61 K) for 5 K < T < 290 K. Taking full account of the instrumental resolution, we derive analytical model functions for the magnetic susceptibility chi''(Q,omega) at T = 5 K and 70 K in absolute units. Our models are supported by previous results on similar samples and are valid at least up to excitation energies of omega = 100 meV. The detailed knowledge of chi''(Q,omega) permits quantitative comparison to the results of complementary techniques including angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), as demonstrated in Dahm et al., Nature Phys. 5, 217, (2009). Based on accurate modeling of the effect of the resolution function on the detected intensity, we determine important intrinsic features of the spin excitation spectrum, with a focus on the differences above and below Tc. In particular, at T = 70 K the spectrum exhibits a pronounced twofold in-plane anisotropy at low energies, which evolves towards fourfold rotational symmetry at high energies, and the relation dispersion is "Y"-shaped. At T = 5 K, on the other hand, the spectrum develops a continuous, downward-dispersing "resonant" mode with weaker in-plane anisotropy. We understand this topology change as arising from the competition between superconductivity and the same electronic liquid-crystal state as observed in YBa(2)Cu(3)O(6.45). We discuss our data in the context of different theoretical scenarios suggested to explain this state.

研究动机与目标

• 通过考虑仪器分辨率，高精度测定无孪晶 YBa₂Cu₃O₆.₆ 的本征自旋激发谱。
• 为 5 K 和 70 K 条件下的 χ′′(Q,ω) 提供以绝对单位表示的解析模型函数，以便与其他光谱技术进行定量比较。
• 研究 Tc 上下自旋激发谱的拓扑结构及面内各向异性的演化，特别是从 'Y' 形色散向沙漏状色散的转变。
• 检验理论模型中涉及欠掺杂铜氧化物中超导性与 Pomeranchuk 不稳定性或波动条纹竞争的假设。
• 通过提供自旋激发谱的完整校准模型，实现中子散射数据与 ARPES、STS 及光学光谱结果之间的定量交叉关联。

提出的方法

• 在宽温区范围（5 K ≤ T ≤ 290 K）内对高质量、无孪晶的 YBa₂Cu₃O₆.₆ 单晶（Tc = 61 K）进行非弹性中子散射实验。
• 采用严格的仪器分辨率函数校正方法，从测量的强度数据中提取本征的 χ′′(Q,ω)。
• 通过考虑动量（Q）和能量（ω）依赖性的参数拟合，推导出 5 K 和 70 K 条件下 χ′′(Q,ω) 的解析模型函数，能量范围达 100 meV。
• 通过与类似样品的先前结果对比验证模型，并利用模型解释谱拓扑结构和各向异性的演化。
• 将推导出的 χ′′(Q,ω) 与 ARPES 和光学光谱的互补数据进行比较，评估费米子-玻色子耦合效应。
• 采用自旋-费米子平均场框架，解释观察到的从二重对称性到四重对称性的转变，以及从 'Y' 形色散到沙漏状色散的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 无孪晶 YBa₂Cu₃O₆.₆ 的自旋激发谱在超导转变温度 Tc = 61 K 附近如何演化？
• RQ2 在 70 K 时观察到的 'Y' 形色散与在 5 K 时呈现的共振模特征之间的谱拓扑结构变化的起源是什么？
• RQ3 自旋激发的面内各向异性在多大程度上与电子向列序或 Pomeranchuk 不稳定性相关？
• RQ4 所观察到的谱特征能否由一个统一的理论框架定量描述，该框架同时涵盖超导性和电子向列序？
• RQ5 中子散射获得的 χ′′(Q,ω) 模型在多大程度上实现了与费米子探测手段（如 ARPES 和 STS）的定量比较？

主要发现

• 在 70 K 时，自旋激发谱在低能区表现出明显的面内二重对称性各向异性，随能量升高逐渐演化为四重对称性，形成 'Y' 形色散。
• 在 5 K 时，谱中出现连续的、向下色散的共振模，面内各向异性显著减弱，表现出超导态的典型特征。
• 所观察到的拓扑结构变化被解释为超导性与 Pomeranchuk 类型电子液态晶体序之间竞争的结果，与 YBa₂Cu₃O₆.₄₅ 中观察到的现象类似。
• 以绝对单位表示的 χ′′(Q,ω) 解析模型函数已得到验证，能量范围扩展至 100 meV，可实现与其他光谱技术的定量比较。
• 数据表明，高能自旋激发分支对 ARPES 谱中的节点形貌特征有显著贡献，挑战了以往认为此类特征源于声子的假设。
• 在 Q = 0 处新型磁序的出现温度约为 220 K，接近 Nernst 效应各向异性出现的温度 Tν，提示其与赝能隙态存在关联。