異常量子物質に対する共鳴非弾性X線散乱の理論的研究

反常量子物质共振非弹性X射线散射的理论研究

• 批准号: 17038003
• 负责人: 筒井 健二
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17038003/
• 关键词: 共鳴非弾性X線散乱; 銅酸化物高温超伝導物質; 数値的厳密対角化法; 梯子格子銅酸化物; 電荷励起スペクトル

本研究ではSr_<14-x>Ca_xCu_<24>O_<41>やSrCu_2O_3等の梯子格子系銅酸化物のCu K吸収端共鳴非弾性X線散乱(RIXS)スペクトルを理論的に明らかにした.Sr_<14-x>Ca_xCu_<24>O_<41>における梯子方向(鎖方向)の光学伝導度において梯子及び鎖両方からの寄与としてスペクトルが現れ,そのx依存性が明らかにされている.光学伝導度は電子系の波数q=0の励起に対し,RIXSでは励起の波数qの依存性も見ることが可能であり,より明確に梯子格子系の電荷励起の様子を調べられる.これまでに理論及び実験的研究により,銅酸化物高温超伝導物質及び関連物質である一次元系銅酸化物のRIXSにおいて,Zhang-RiceバンドからCu上部Hubbardバンドへの励起に対応するスペクトルに特徴的な波数依存性を持つことが明らかになってきている.特に理論的には,二次元系では反強磁性のスピン相関とRIXSの波数依存性が関係し,一次元系ではスピン・電荷分離の特徴として捉えられることが分かってきた.梯子格子のRIXSスペクトルの計算を,内殻ホールの軌道を含めた2x8サイトのHubbard ladder模型に対する数値的厳密対角化法を用いて行った.その結果,ホールを少量ドープした場合,RIXSスペクトルはほとんど変化せず絶縁体の波数依存性が残り,二次元系の場合と対照的であることが分かった.二次元系の場合はホールによって反強磁性に並んだスピン配置が急激に壊されるのに対し,梯子格子系では,それぞれの横桟で組んだスピン一重項状態が,ドープに対しそのまま残るためと考えられる.また、Cu L吸収端共鳴非弾性X線散乱では,そのX線の吸収・放出がCu 2p軌道と,調べたいCu 3d軌道との間の遷移により行われる.L吸収端非弾性散乱スペクトルの主なものは,始状態で3d(x2y2)に存在していたホールが,それ以外の3d軌道に移動する励起プロセスの,いわゆるd-d励起に起因したものである.その一方で,K吸収端非弾性散乱で見られていたような,ザン・ライス一重項バンドからCu上部ババードバンドへの励起(モットギャップ励起)も強度的には小さいが特徴的な波数依存性を持って存在すると考えられる.そこでd-d励起及びモットギャップ励起に起因したスペクトルがそれぞれどのような波数依存性で見られるかに注目した.簡単のためX線の偏光を面内のものに限定し,2バンドのババード模型にCu 2p軌道を加えた模型を用いてクラスター計算を行った.その結果,d-d励起よりもモットギャップ励起の方が波数に対する変化が大きいため,波数変化に対するスペクトル変化を調べることによりモットギャップ励起に起因したスペクトルがL吸収端非弾性散乱でも見いだせることが分かった.

在这项研究中，铜K 边共振非弹性 X 射线散射 (RIXS) 光谱在理论上得到澄清，光谱显示为两者的贡献，以及它的 x。阐明了光学电导率对电子系统激发波数 q 的依赖性。在 RIXS 中，还可以看到激发波数 q 对电子系统中波数 q = 0 的激发的依赖性，并且可以更清楚地看到光学电导率对激发波数 q 的依赖性，可以研究激发状态。迄今为止，理论和实验研究表明氧化铜具有较高的光电导率。很明显，一维氧化铜的 RIXS（与热超导材料有关的一维铜酸盐）在光谱中具有特征波数依赖性，对应于从张赖斯带到铜上哈伯德带的激发特别是在理论上，研究发现，在二维系统中，反铁磁自旋相关性和RIXS波数依赖性是相关的，而在一维系统中，这可以解释为包括空穴轨迹在内的2x8位点处的自旋电荷分离特征。采用梯形模型的数值精确对角化方法，结果是，当掺杂少量空穴时，RIXS 谱几乎没有变化，并且绝缘体的波数依赖性仍然存在，这与二维的情况相反。事实证明。在二维系统的情况下，反铁磁排列的自旋构型被空穴迅速破坏，而在梯晶格系统中，由每个水平梯级形成的自旋单线态响应于掺杂而保持不变。是因为Cu残留。在 L 边共振非弹性 X 射线散射中，吸收和发射L边非弹性散射谱的主要特征是初始状态下3d(x2y2)中存在的空穴移动到其他3d轨道的激发过程，这是由所谓的d-d激发引起的。在 K 边缘非弹性散射中观察到的 Zahn-Rice 单线态带，人们认为，对下巴巴德带的激发（莫特间隙激发）也存在特征波数依赖性，尽管其强度很小。为了简单起见，我们将X射线偏振限制为面内偏振，并使用。双带 Bavard 模型中的 Cu。我们使用添加了2p轨道的模型进行聚类计算，结果发现莫特间隙激发比d-d激发的波数变化更大，因此通过检查光谱随波数变化的变化，我们发现这是由波数变化引起的。发现莫特间隙激发也可以在L边非弹性散射中找到光谱。

项目成果

Mott Gap Excitations in Twin-Free YBa2Cu307-□(Tc=93K) Studied by Resonant Inelastic X-Ray Scattering

共振非弹性X射线散射研究双自由YBa2Cu307-□(Tc=93K)中的莫特间隙激发

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physical Review Letters 94
• 作者: Takeshi Rachi;Harukazu Yoshino;Katsumi Tanigaki;K.Ishii
• 通讯作者: K.Ishii

Theory of Cu L-edge resonant inelastic X-ray scattering in insulating cuprates

绝缘铜酸盐中铜L边共振非弹性X射线散射理论

• 发表时间: 2006
• 期刊: Journal of Physics and Chemistry of Solids 67
• 作者: K.Tsutsui;H.Yamamoto;T.Tohyama;S.Maekawa
• 通讯作者: S.Maekawa

Disperstion relation of charge gap excitations in quasi-ID Mott insulators studied by resonant X-ray scattering

通过共振 X 射线散射研究准 ID 莫特绝缘体中电荷间隙激发的色散关系

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Physics and Chemistry of Solids 66
• 作者: Y.Sekine;K.Ishikawa;E.Kikuchi;M.Matsukata;田島文子;高田 康民;Katsuaki Kobayashi;Sayaka Inagaki;K.Tsutsui;T.Tohyama;D.Qian
• 通讯作者: D.Qian

Theoretical study of resonant inelastic X-ray scattering in ladder cuprates

梯形铜酸盐共振非弹性X射线散射的理论研究

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310
• 作者: Y.Sekine;K.Ishikawa;E.Kikuchi;M.Matsukata;田島文子;高田 康民;Katsuaki Kobayashi;Sayaka Inagaki;K.Tsutsui
• 通讯作者: K.Tsutsui

Theory of RINX in strongly correlated electron systems : Mott gap excitations in cuprates

强相关电子系统中的 RINX 理论：铜酸盐中的莫特能隙激发

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Physics and Chemistry of Solids 66
• 作者: Y.Sekine;K.Ishikawa;E.Kikuchi;M.Matsukata;田島文子;高田 康民;Katsuaki Kobayashi;Sayaka Inagaki;K.Tsutsui;T.Tohyama
• 通讯作者: T.Tohyama