Electronic and phononic Raman scattering in twin free YBa_1tn2Cu_1tn3O_1tn6_1tn+_1tnx [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mohammed Hussein Bakr

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• Publié par: universitat_stuttgart
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: Deutsch
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Electronic and Phononic Raman
Scattering in Twin-Free YBa Cu O2 3 6+x
Von der Fakult¨at Mathematik und Physik der Universit¨at Stuttgart
zur Erlangung der Wurde¨ eines Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung
vorgelegt von
Mohammed Hussein Bakr
aus Dair Abi Said (Jordanien)
Hauptberichter: Prof. Dr. Bernhard Keimer
Mitberichter: Prof. Dr. Tilman Pfau
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 29. M¨arz 2010
Max-Planck-Institut fur¨ Festk¨orperforschung
Stuttgart 2010Deutsche Zusammenfassung
Baldahrtj¨ sichdieEntdeckungderHochtemperatur-SupraleitungSupraleitungzum
25. Mal. Seither wurden viele Experimente durchgefuhrt¨ und viele Versuche un-
ternommen, den supraleitenden Paarungsmechanismus zu erkl¨aren. Allerdings sind
vieleHindernissewegenderungew¨ohnlichenNormalzustandseigenschaftenderKuprate
aufgetaucht. Einedergr¨oßtenHerausforderungenistdasPseudogap,welchesimun-
∗terdotierten Bereich unterhalb einer dotierungsabh¨angigen Temperatur T , welche
die supraleitende Sprungtemperatur T ub¨ ersteigt, beobachtet wird. Bis jetzt sindc
der Paarungsmechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung und der Ursprung des
Pseudogaps kontrovers; um diese Ph¨anomene zu erkl¨aren sind daher mehr Experi-
mente an diesen Materialien n¨otig.
Kuprat-Supraleiter sind Schichtsysteme. Die einzigen gemeinsame Lagen in
allen Kupraten sind Ebenen der chemischen Zusammensetzung CuO , bestehend2
aus quadratischen Kupfer-Sauerstoff Plaketten. Diese Schichten k¨onnen daher als
das strukturelle Element identifiziert werden, welches die supraleitenden Cooper-
Paare beinhaltet. Es ist im Moment allgemein akzeptiert, dass die Cooper-Paar
Wellenfunktion der Hochtemperatur Supraleiter haupts¨achlich d 2 2-Wellen Sym-x −y
metriebesitzt. InVerbindungen, inwelchendieCuO -Ebenenorthorhombischverz-2
errt sind, inklusive dem weitestgehend untersuchten YBa Cu O , erwartet man2 3 6+x
eine s-Wellen Beimischung zur fuhrenden¨ d-Wellen Paarung. Diese fuhrt¨ zu einer
AnisotropiedersupraleitendenEnergieluc¨ ke2∆zwischender a-undb-Achse. Inden
letztenJahrzehntenwurdendiemeistenExperimenteanverzwillingtenYBa Cu O2 3 6+x
Proben durchgefuhrt,¨ die aus kristallographischen “Twins” zusammengesetzt sind,
bei denen die a- und b-Hauptachsen in den Ebenen jeweils vertauscht sind. Da-
her ist dieser ab-Unterschied in der supraleitenden Energieluc¨ ke im verzwillingten
YBa Cu O schwer zu beobachten. Auf der anderen Seite kann im unverzwill-2 3 6+x
ingten YBa Cu O -Kristall, die ab-Anisotropie inklusive die der supraleitenden2 3 6+x
Energieluc¨ ke, erforscht werden.
Wegen Problemen mit der Ober߬ache ist allerdings eine genaue Bestimmung der
2∆-Luc¨ kevonYBa Cu O mitHilfewinkelaufgel¨osterPhotoemissions-Spektroskopie2 3 6+x
3(ARPES)schwierig. Raman-Streuungisteinleistungsstarkes,vielwenigerober߬achen-
sensibles Instrument, um die ab-Anisotropie in der 2∆-Luc¨ ke und damit den s-
Wellenbeitrag zurd-Wellenpaarung zu messen. Im ersten Teil der Arbeit haben wir
unverzwillingte,leichtub¨ erdotierteYBa Cu O (T =92K)undmoderatub¨ erdotierte2 3 6.95 c
Y Ca Ba Cu O (T =75K)EinkristallemitHilfederRaman-Lichtreuungstechnik0.85 0.15 2 3 6.95 c
untersucht. In Raman-Streuexperimenten mit polarisiertem Licht sind die Anre-
gungen A +B , A +B , B , und B zug¨anglich indem man jeweils xx (bzw.g 1g g 2g 1g 2g
′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′yy), xx (bzw. yy), xy (bzw. yx) und xy (bzw. yx) polarisierte einfall-
ende und gestreute Lichtfelder benutzt. Hierbei bedeuten x und y die Richtung
′des elektrischen Feldes vom Licht entlang der a- und b-Achsen, wohingegen x
′und y die diagonalen Richtungen bezeichnen. Weil das Ziel der Arbeit darin
besteht, die s-Wellenkomponente zum fhrenden d-Wellen Ordnungsparameters zu
′ ′bestimmen, fokussieren wir unsere Raman-Studie auf die xx, yy, und xy Po-
larisationsgeometrien. In beiden Proben wurden Modifikationen in den elektro-
nischen Paarbrechungs-Peaks beobachtet, wenn die a- und b-Achse miteinander
vertauscht wurde. Zus¨atzlich besitzen die Linienformen von einigen Moden, ein-
schlielich Eben- und Sauerstoff-Schwingungen, starke Ansiotropien bezuglic¨ h der
Konfigurationen von einfallenden und gestreuten Lichtfeldern. Diese Moden zeigen
eine ausgepr¨agte asymmetrische Linienform (d.h. ein Fano-Profil), die eine starke
Wechselwirkung mit dem elektronischen Kontinuum nahelegt. In dieser Arbeit
werden die Raman-Spektren auf zwei verschiedene Weisen analysiert. Zun¨achst
haben wir den konventionellen Fano-Zugang benutzt, mit ihm erh¨alt man Ab-
sch¨atzungenderintrinsischenPhononen-Parameter(d.h. Phononenfrequenzen, Lin-
ienbreiten und Asymmetrie-Parameter). Zweitens haben wir ein theoretisches Mod-
ell, basierend auf dem Fano-Effekt, entwickelt, um sowohl elektronische als auch
phononische Beitr¨age zum Raman-Spektrum gleichberechtigt zu behandeln. Un-
sere Theorie erlaubt uns, das elektronische Raman-Signal vom phononischen Teil
¨zu entflechten und zugeh¨orige Interferenz-Terme zu identifizieren. Uberdies sind
¨wir nocheinmal auf die supraleitungsinduzierten Anderungen in den Phononen-
Linienformen zuruc¨ kgekommen. Wir fuhren¨ die ab-Anisotropie des elektronischen
¨Raman-SignalsunddieAnderungenindenPhonon-Linienform
auf eine kleine s-Wellen Beimischung zur d 2 2-Paarwellen-Funktion zuruc¨ k. Wirx −y
argumentieren, dass die Raman-Spektren im Einklang mit einer s-Wellen Beimis-
chung von bis zu 20% (oder gleichbedeutend mit einem 20%-tigen Unterschied in
der Amplitude der supraleitdenden Energieluc¨ ke in der Ebene) sind.
Der zweite Teil dieser Arbeit wirft Licht auf unterdotiertes, unverzwillingtes
¨YBa Cu O mit x = 0.45 (T =35 K) und x = 0.6 (T =62 K). Weil die Offnung2 3 6+x c c
des Pseudogaps das elektronische Signal in dieser Doping-Region unterdruc¨ kt, liegt
das Hauptaugenmerk auf dem vibronischen Raman-Response. Zus¨atzlich zu den
quadratischen,planarenCuO -Schichtenenth¨altdieKristallstrukturvonYBa Cu O2 2 3 6+xCuO-Ketten entlang derb-Achse, die beix< 1 teilweise entleert werden. Insbeson-
dere ist bei YBa Cu O jede zweite Kette komplett leer und es bildet sich die sog.2 3 6.5
ortho-II-Struktur mit einer verdoppelten Einheitszelle aus. Es wurden verschiedene
¨Uberstrukturen, inklusive die der ortho-V-Struktur mit einer funfmal¨ gr¨oßeren Ein-
heitszelle beobachtet.
IndieserArbeitpr¨asentierenwireinedetaillierteKlassifikationderSchwingungs-
Moden von YBa Cu O und YBa Cu O . Diese Moden k¨onnen in zwei Kat-2 3 6.45 2 3 6.6
egorien unterteilt werden: die konventionellen Moden von YBa Cu O und die2 3 7
zus¨atzlichenModen,welchedurchdieneuePeriodizit¨atderKupfer-Sauerstoff-Ketten
erzeugtwerden. DieseinduziertenModensindentwederz-Achsenpolarisiert,beobacht-
bar in den Raman-Symmetrienxx undyy, oderx-Achsen polarisiert und daher nur
inxx-Polarisationzubeobachten. Demzufolgesinddiex-AchsenpolarisierteModen
ein ausgezeichnetes Werkzeug, um die xy-Anisotropie des elektronischen Systems
von unterdotiertem YBa Cu O zu untersuchen.2 3 6+x
WirhabendetaillierteUntersuchungenderTemperatur-Abh¨angigkeitvonRaman-
Spektren in xx- und yy-Polarisation an YBa Cu O (ortho-II) und YBa Cu O2 3 6.45 2 3 6.6
(ortho-V)durchgefhrt. UnsereMessungenzeigeneinefastkompletteUnterdruc¨ kung
derx-Achsen polarisierten Moden, und zwar die der Yttrium- und die der planaren
∗Sauerstoff-SchwingungenausdenEbenenherausoberhalbT ∼200K.Diez-Achsen
polarisierten Moden bestehen fort bis hin zur Raumtemperatur. Weiterhin haben
wir die Rolle m¨oglicher Resonanzeffekte in den phononischen Spektren ub¨ erpruft,¨
haben aber gefunden, dass die anomale Temperaturabh¨angigkeit unabh¨angig von
der Photonenenergie ist. Außerdem haben wir Kontrollexperimente durchgefuhrt,¨
¨indenendieTemperaturabh¨angigkeitderSauerstoff- Uberstrukturdirektuntersucht
wurde, und fanden dass diese temperaturunabh¨angig ist. Die beobachtbare Anoma-
lietrittalsoengverknupft¨ miteinerelektronischenInstabilit¨atauf. Derwahrschein-
lichste Kandidat ist eine “elektronische, nematische” Phase, welche kurzlic¨ h durch
inelastische Neutronen-Streuung identifiziert wurde.
¨Diese Arbeit ist wie folgt gegliedert. In Kapitel 1 wird ein Uberblick ub¨ er
die Hochtemperatur-Supraleitung, ihr generisches Phasendiagramm und die struk-
turellen Phasen von YBa Cu O gegeben. Kapitel 2 pr¨asentiert die Theorie2 3 6+x
fur¨ phononische und elektronische Raman-Streuung, gruppentheoretische Berech-
nungen und Raman-Auswahlregeln sowie deren Anwendung auf Hochtemperatur-
Supraleiter. Eine Einfuhrung¨ in unser theoretisches Modell und zu der Analyse der
Daten wird in Kapitel 3 gegeben. Eine Beschreibung der experimentellen Daten
wird in Kapitel 4 pr¨asentiert. Die experimentellen Resultate werden in Kapitel 5
gezeigt und diskutiert.Abstract
Thesilverjubileeofthediscoveryofhightemperaturesuperconductivityincuprates
iscomingsoon. Sinceitsdiscovery,numerousexperimentshavebeenperformed,and
many attempts have been made to explain the superconducting pairing mechanism
incuprates. Butseveralobstacleshavearisenbecauseoftheanomalousnormalstate
properties of cuprat