[论文解读] Spin susceptibility of charge ordered YBa2Cu3Oy across the upper critical field

Rui Zhou, M. Hirata+10 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Oct 31, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 9

一句话总结

本研究利用17O NMR测量电荷有序YBa2Cu3Oy中的自旋磁化率，发现其随磁场线性增加并在20–40 T以上饱和，支持上临界场（Hc2）约为24–40 T。结果表明，欠掺杂YBCO中Hc2的抑制源于短程电荷密度波（CDW）涨落，而非长程CDW有序，且赝能隙是与超导配对无关的基态性质。

ABSTRACT

The value of the upper critical field Hc2, a fundamental characteristic of the superconducting state, has been subject to strong controversy in high-Tc copper-oxides. Since the issue has been tackled almost exclusively by macroscopic techniques so far, there is a clear need for local-probe measurements. Here, we use 17O NMR to measure the spin susceptibility $χ_{spin}$ of the CuO2 planes at low temperature in charge ordered YBa2Cu3Oy. We find that $χ_{spin}$ increases (most likely linearly) with magnetic field H and saturates above field values ranging from 20 to 40 T. This result is consistent with Hc2 values claimed by G. Grissonnanche et al. [Nat. Commun. 5, 3280 (2014)] and with the interpretation that the charge-density-wave (CDW) reduces Hc2 in underdoped YBa2Cu3Oy. Furthermore, the absence of marked deviation in $χ_{spin}(H)$ at the onset of long-range CDW order indicates that this Hc2 reduction and the Fermi-surface reconstruction are primarily rooted in the short-range CDW order already present in zero field, not in the field-induced long-range CDWorder. Above Hc2, the relatively low values of $χ_{spin}$ at T=2 K show that the pseudogap is a ground-state property, independent of the superconducting gap.

研究动机与目标

• 使用局域探针技术解决欠掺杂高温超导铜氧化物中上临界场（Hc2）长期存在的争议。
• 确定YBa2Cu3Oy中Hc2的抑制是由长程电荷密度波（CDW）有序还是零场中已存在的短程CDW涨落所驱动。
• 研究赝能隙相在决定Hc2中的作用及其与超导配对的关系。
• 澄清所观测到的Hc2值是否与CDW等竞争序或量子临界性一致。

提出的方法

• 在T ≈ 2–3 K下对氧有序的YBa2Cu3Oy单晶进行17O核磁共振（NMR）测量，以提取自旋磁化率χspin。
• 通过O(3)位点的磁场依赖Knight位移测量，利用已知的各向异性参数校正轨道和抗磁性贡献。
• 将磁场方向倾斜约16°偏离c轴，以最小化O(2)与O(3)位点之间的谱线重叠，磁场值经cos(16°) ≈ 0.96校正。
• 将χspin的磁场依赖性拟合至线性（α=1）和平方根（α=1/2）函数，以评估磁场响应的性质。
• 通过超导态中因趋肤深度改变导致的NMR共振频率变化，监测涡旋熔化行为。
• 对比四个不同空穴掺杂浓度（p ≈ 0.088–0.135）样品的结果，评估Hc2和CDW效应的掺杂依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂YBa2Cu3Oy中，上临界场Hc2是否随空穴浓度降低而减小？若减小，其数值为多少？
• RQ2 Hc2的抑制主要由长程电荷密度波（CDW）有序引起，还是由零场中已存在的短程CDW涨落引起？
• RQ3 自旋磁化率χspin如何随磁场演化？其在Hc2处是否趋于饱和？
• RQ4 如在Hc2以上低温χspin值所提示，赝能隙相是否为与超导配对无关的基态性质？
• RQ5 文献中报道的Hc2值存在矛盾，在多大程度上源于实验技术或样品条件的差异？

主要发现

• 自旋磁化率χspin随磁场线性增加，并在20–40 T以上趋于饱和，与Grissonnanche等人（2014年）报道的Hc2值一致。
• χspin(H)曲线上在长程2D CDW有序起始处无拐点或偏离，表明Hc2抑制源于短程CDW涨落，而非长程有序。
• 在T = 2 K时，χspin在Hc2以上趋于饱和，证实赝能隙是基态性质，与超导能隙解耦。
• Hc2值与非单调的掺杂依赖性一致，最小值出现在p ≈ 0.12附近，支持存在量子临界性或CDW驱动抑制。
• 所观测到的Hc2值与泡利顺磁性涨落分析及涡旋熔化外推结果一致，强化了其可靠性。
• 结果调和了热导率与磁化率数据的矛盾解释，支持欠掺杂YBCO中Hc2值较低（~24 T），而非高达45 T。