[论文解读] Phonon Signature of Charge Inhomogeneity in High Temperature Superconductors YBa2Cu3O{6+x}

Yu. N. Petrov, T. Egami+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究利用非弹性中子散射揭示了YBa2Cu3O6+x中电荷非均匀性的温度依赖性和掺杂依赖性，表明随着掺杂浓度增加，带电区域的体积分数上升，但局部电荷密度保持不变。关键发现是在Tc以下电荷非均匀性出现急剧增加，强烈的声子响应表明声子在电荷动力学中起核心作用，挑战了铜氧化物中均匀超导性的传统观点。

ABSTRACT

Temperature and composition dependences of high-energy longitudinal optical (LO) phonons in YBa2Cu3O{6+x}, studied by inelastic neutron scattering measurements, provide clear evidence for temperature dependent spatial inhomogeneity of doped charges. The measurements indicate that charge doping increases the volume fraction of the charged regions, while the local charge density remains unchanged. For the optimally doped sample the charge distribution changes sharply near the superconducting transition temperature, with stronger charge inhomogeneity below Tc. The remarkable magnitude of the phonon response to charge suggests strong involvement of phonons in charge dynamics.

研究动机与目标

• 研究电荷非均匀性在高温超导体中的作用，特别是YBa2Cu3O6+x中的作用。
• 确定电荷掺杂和温度如何影响铜氧化物中掺杂空穴的空间分布。
• 通过中子散射实验中的声子响应，识别电荷非均匀性的直接晶格特征。
• 挑战最佳掺杂铜氧化物中电荷分布均匀的假设，并评估声子在电荷动力学中的作用。

提出的方法

• 在橡树岭国家实验室HFIR的HB-3三轴谱仪上，对不同x值（0.2、0.35、0.6、0.93）的单晶YBa2Cu3O6+x样品进行了非弹性中子散射测量。
• 测量聚焦于(100)方向的纵向光学（LO）声子，能量转移范围为50–80 meV，动量转移Q从(3,0,0)到(3.5,0,0)，单位为倒易点阵单位。
• 使用了(101)晶面的铍单色器和(002)晶面的热解石墨分析器，以实现最终中子能量为14.7 meV。
• 在不同温度下测量了散射强度，包括10 K和300 K，以探测温度依赖的声子行为。
• 通过比较不同能量范围内的强度图和能量积分强度，进行数据分析，以检测谱权重转移和异常现象。
• 应用双相模型，将分裂的LO声子分支解释为微观上分离的带电区域和中性区域存在的证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 电荷掺杂如何影响YBa2Cu3O6+x中掺杂空穴的空间分布？
• RQ2 电荷非均匀性具有怎样的温度依赖性，特别是在Tc附近？
• RQ3 声子色散和强度异常能否作为铜氧化物中电荷非均匀性的直接特征？
• RQ4 在最佳掺杂样品（x=0.93）中，电荷非均匀性是否在Tc以下增强？这对超导性有何含义？
• RQ5 声子在多大程度上与高温超导体中的电荷动力学耦合？

主要发现

• 在所有掺杂水平下，YBCO中的LO声子色散分裂为两个分支——75 meV（高能）和55 meV（低能），表明存在具有不同电荷密度的两种微观相。
• 随着掺杂浓度增加，谱权重从高能分支向低能分支转移，与带电区域体积分数增加但局部电荷密度不变一致。
• 对于最佳掺杂样品（x=0.93），在Tc=95 K处出现强度差（I(2)−I(1)）的急剧变化，表明Tc以下电荷非均匀性增强。
• 强度差的温度依赖性表明电荷非均匀性与T∗相关而非Tc，对于x=0.35，其在约200 K附近逐渐饱和。
• 带电畴的尺寸估计约为~8×20 Å，与条纹状形貌一致，且双分支色散排除了准静态条纹模型的可能性。
• 两支声子之间存在强烈的能量分裂（15–20 meV），表明低能声子与电荷动力学强耦合，暗示声子在电荷分离中起关键作用。