[论文解读] The connection between superconducting phase correlations and spin excitations in YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.6}$: A magnetic field study

Pengcheng Dai, H. A. Mook+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 17被引用 116

一句话总结

本研究表明，磁场会抑制欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₆中的34 meV自旋共振峰，且当磁场沿c轴（垂直于CuO₂平面）方向时抑制效应更强，表明该共振对超导相位相干性敏感。该抑制效应在Tc以上仍持续存在，支持预配对对模型，并直接将自旋涨落与超导配对机制联系起来。

ABSTRACT

One of the most striking universal properties of the high-transition-temperature (high-$T_c$) superconductors is that they are all derived from the hole-doping of their insulating antiferromagnetic (AF) parent compounds. From the outset, the intimate relationship between magnetism and superconductivity in these copper-oxides has intrigued researchers. Evidence for this link comes from neutron scattering experiments that show the unambiguous presence of short-range AF correlations (excitations) in cuprate superconductors. Even so, the role of such excitations in the pairing mechanism and superconductivity is still a subject of controversy. For YBa$_2$Cu$_3$O$_{6+x}$, where $x$ controls the hole-doping level, the most prominent feature in the magnetic excitations spectra is the ``resonance''. Here we show that for underdoped YBa$_2$Cu$_3$O$_{6.6}$, where $x$ and $T_c$ are below the optimal values, modest magnetic fields suppress the resonance significantly, much more so for fields approximately perpendicular rather than parallel to the CuO$_2$ planes. Our results indicate that the resonance measures pairing and phase coherence, suggesting that magnetism plays an important role in the superconductivity of cuprates. The persistence of a field effect above $T_c$ favors mechanisms with preformed pairs in the normal state of underdoped cuprates.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₆中超导相关联与自旋激发之间的关系。
• 确定外加磁场如何影响超导态及Tc以上温度下的磁共振模式。
• 检验共振是否为超导配对与相位相干性的探针，特别是在预配对的背景下。
• 研究共振对磁场取向（c轴与ab平面）的各向异性响应，揭示配对机制的对称性约束。

提出的方法

• 在大块YBa₂Cu₃O₆.₆单晶（Tc ≈ 62.7 K）上进行中子散射实验，施加最高达6.8 T的磁场。
• 利用温度依赖的差分谱（10 K与70 K对比）分离动态自旋结构因子S(Q,ω)中的磁性贡献。
• 在三种取向施加磁场：沿c轴（B||c）、在ab平面内（B||ab），以及沿c轴测量光学模式。
• 分析磁场引起的共振强度、能量宽度和谱重的变化，比较Tc以下与以上温度下的结果。
• 应用总磁矩求和规则评估谱重再分布，寻找在弹性、光学或亚能隙模式中的补偿散射。
• 将共振强度的磁场依赖性拟合为I/I₀ = 1 - B/B_char，得出B_char = 36 T，接近上临界场B_c2 = 45 T。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场如何影响欠掺杂YBa₂Cu₃O₆.₆中自旋共振的强度与宽度？
• RQ2 共振的磁场抑制效应是否在Tc以上仍持续存在？这对其正常态性质有何含义？
• RQ3 为何当磁场沿c轴方向时抑制效应强于ab平面方向？
• RQ4 从共振中损失的谱重去了哪里？是否由新激发或Q-ω空间中的重新分布补偿？
• RQ5 能否将共振的磁场依赖性与超导相位相干性及预配对形成联系起来？

主要发现

• 在Tc以下，沿c轴施加6.8 T磁场使34 meV共振强度降低约30%，其效应显著强于平面内磁场。
• 共振抑制效应在Tc以上仍持续存在，表明磁场影响的是与超导涨落或预配对相关的性质。
• 共振强度的磁场依赖性符合I/I₀ = 1 - B/B_char，其中B_char = 36 T，接近上临界场B_c2 = 45 T，暗示与超导体积分数相关。
• 磁场下共振宽度变窄，表明相位相干时间增加，而积分谱重与超导配对密度一致。
• 未在弹性、光学或亚能隙模式中观察到显著新增谱重，表明损失的谱重在标准散射几何中不易被探测。
• 各向异性磁场响应——c轴方向抑制更强——对层间隧穿模型构成挑战，并支持涉及面内自旋涨落与预配对的配对机制。