[论文解读] Ultrafast time-resolved x-ray scattering reveals diffusive charge order dynamics in La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$

Matteo Mitrano, Sangjun Lee+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究利用超快时间分辨共振软X射线散射技术，探测了在x ∼ 1/8时La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$中电荷序的动力学行为。结果表明，在能量0.4 meV $\lesssim \omega \lesssim 2$ meV范围内，电荷序激发呈现过阻尼、扩散型动力学；在低于0.4 meV的能量区域则表现出动态临界标度，表明其传播由拓扑缺陷介导，暗示电荷序可能通过动态涨落积极参与高温超导机制。

ABSTRACT

Charge order is universal among high-T$_c$ cuprates but its relevance to superconductivity is not established. It is widely believed that, while static order competes with superconductivity, dynamic order may be favorable and even contribute to Cooper pairing. We use time-resolved resonant soft x-ray scattering to study the collective dynamics of the charge order in the prototypical cuprate, La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$. We find that, at energy scales $0.4$ meV $ \\lesssim \\omega \\lesssim 2$ meV, the excitations are overdamped and propagate via Brownian-like diffusion. At energy scales below 0.4 meV the charge order exhibits dynamic critical scaling, displaying universal behavior arising from propagation of topological defects. Our study implies that charge order is dynamic, so may participate tangibly in superconductivity.

研究动机与目标

• 确定高温铜氧化物中的电荷序是否具有动力学行为，若是，其集体动力学行为的类型为何。
• 解析亚meV能量尺度下电荷序涨落的本质，该尺度对传统光谱技术不可及。
• 检验动态电荷序可能有利于甚至介导高温超导铜氧化物中库珀对形成的假设。
• 利用具有亚meV能量分辨率的时间分辨X射线散射技术，探测典型铜氧化物La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$中电荷序的集体动力学行为。

提出的方法

• 采用50-fs激光脉冲激发系统，利用自由电子激光产生的60-fs X射线脉冲进行探测，时间分辨率达130-fs。
• 在Cu $L_{3/2}$边（933 eV）进行共振X射线散射，以选择性探测价态电荷序，结合能量积分与能量分辨探测以分离荧光背景的散射信号。
• 扫描40 ps的时间延迟范围，覆盖能量尺度从0.103 meV至15.9 meV，通过时间-能量不确定性关系实现亚meV能量分辨率。
• 分析动态结构因子 $S(\vec{Q}_{CO}+\vec{q}, \omega)$，以提取电荷序涨落的衰减速率 $\gamma(q)$。
• 应用Newell-Whitehead振幅方程来建模条纹有序电荷序的长波长动力学行为，包括在周期性结构周围的线性稳定性分析。
• 推导出归一化单位下的衰减速率 $\gamma(q) = 2\epsilon + q^2$，并通过 $\gamma(q) = \frac{2\epsilon}{\tau_0} + \frac{(2q_0\xi_0^2)^2}{\tau_0}q^2$ 转换为物理单位，将理论动力学与实验数据关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于2 meV的能量尺度下，La$_{2-x}$Ba$_x$CuO$_4$中电荷序动力学的本质是什么？
• RQ2 在时间域中，电荷序涨落是否表现出扩散行为或相干行为？
• RQ3 在电荷序的低能区域是否存在动态临界标度的证据？
• RQ4 电荷序的动力学是否可由包含拓扑缺陷的流体动力学模型描述？
• RQ5 观测到的衰减速率与偏离电荷序波矢量的波矢量偏差之间存在何种关系？

主要发现

• 在能量尺度0.4 meV $\lesssim \omega \lesssim 2$ meV范围内，电荷序激发呈现过阻尼特性，并通过扩散型动力学传播，与缺陷的布朗运动一致。
• 在低于0.4 meV的区域，系统表现出动态临界标度，表明其行为由条纹晶格中的拓扑缺陷（如位错）的传播所主导。
• 测量得到的电荷序涨落衰减速率符合 $\gamma(q) \approx 2\epsilon + q^2$（归一化单位），证实其为流体动力学型、扩散型的弛豫机制。
• 实验测得的衰减速率可被理论模型 $\gamma(q) = \frac{2\epsilon}{\tau_0} + \frac{(2q_0\xi_0^2)^2}{\tau_0}q^2$ 定量描述，将微观动力学与宏观弛豫行为联系起来。
• 未观测到相干的戈尔德斯通模式，表明由无序或晶界引起的平动对称性破缺抑制了长波长相位涨落。
• 结果表明电荷序并非静态，而是具有动态活性，支持其在高温超导机制中可能发挥实际作用的观点。