“B_1g-Phonon Anomaly Driven by Fermi Surface Instability at Intermediate Temperature in YBa₂Cu₃O_7-δ”

본 연구에서는 세계 최초로 구리산화물 고온초전도체에서 나타나는 전하밀도파 갭에 의한 B_1g 포논의 연화를 관측하였다. 고체에서 나타나는 전하밀도파 및 초전도 상태는 일반적으로 페르미 표면에 에너지 갭을 수반한다. 많은 물질에서 나타나는 이러한 에너지 갭은 각도분해 광전자분광법 (ARPES), 주사 터널링 분광법 (STS) 등의 실험 기법을 통하여 관측되어 왔다. 하지만 구리산화물 고온초전도체에서 나타나는 전하밀도파 갭은 위의 실험 기법들에 의하여 관측된 적이 없었다. 최근 전자 라만 산란 (electronic Raman scattering) 실험에 의해서 구리산화물 고온초전도체의 전하밀도파 갭을 검출하는데 성공하였지만 이 결과를 뒷받침 할 수 있는 추가적인 실험적 증거들이 요구되는 상황이다. 이번 연구에서는 라만 분광법을 이용하여 구리산화물 고온초전도체의 대표적인 물질인 YBa₂Cu₃O_7-δ 시료의 포논 모드를 관측하였다. 특히 온도에 따른 B_1g 포논의 에너지 변화를 면밀하게 분석하였고 이를 통하여 초전도 임계온도보다 높은 온도 영역에서 나타나는 B_1g 포논의 연화를 발견하였다. 포논 스펙트럼 분석과 더불어 전자 라만 산란 분석을 통해 연구진은 이러한 B_1g 포논의 연화가 전하밀도파 갭에 의해서 나타난다는 것을 규명하였다. 본 연구 결과는 구리산화물 고온초전도체에 전하밀도파 갭이 존재한다는 것을 입증할 수 있는 연구 결과임과 동시에 구리산화물 고온초전도체의 전하밀도파 상전이를 손쉽게 관측할 수 있는 새로운 방법론을 제시할 수 있는 연구 결과이다.

We performed temperature- and doping-dependent high-resolution Raman spectroscopy experiments on YBa₂Cu₃O_7-δ to study B_1g phonons. The temperature dependence of the real part of the phonon self-energy shows a distinct kink at T = T_B1g above T_c due to softening, in addition to the one due to the onset of the superconductivity. T_B1g is clearly different from the pseudogap temperature with a maximum in the underdoped region and resembles charge density wave onset temperature, T_CDW. We attribute the B_1g-phonon softening to an energy gap on the Fermi surface induced by a charge density wave order, which is consistent with the results of a recent electronic Raman scattering study. Our work demonstrates a way to investigate Fermi surface instabilities above T_c via phonon Raman studies.

Authors: Dongjin Oh, Dongjoon Song, Younsik Kim, Shigeki Miyasaka, Setsuko Tajima, Jin Mo Bok, Yunkyu Bang, Seung Ryong Park, and Changyoung Kim

Publication date: 29 December 2021

Link: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.277001