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，Cu是梯子晶格氧化物，例如sr_ <14-x> ca_xcu_ <24> O_ <41>和SRCU_2O_3。从理论上讲，我们已经揭示了K吸收的端谐振非弹性X射线散射（RIX）光谱。这些光谱在梯子方向（链方向）sr_ <14-x> ca_xcu_ <24> o__ <41>中的梯子和链的贡献显示为梯子的光导率。还可以在RIX中看到光导率，而在RIX中可以看到激发的波数Q的依赖性，并且可以更清楚地研究阶梯晶格系统中的电荷激发状态。理论和实验研究表明，氧化铜的高度很高。很明显的是，从Zhang-Rice带到Rix中Rix中的Cu上的Hubbard带（一种恒温超导材料和相关物质）的激发光谱具有特征性的波数依赖性，该谱图与Zhang-Rice带到Cu上Hubbard Band的Zhang-Rice谱带的激发相对应。特别是，已经发现，在二维系统中，抗铁磁学的自旋相关性和rix的波数依赖性是相关的，在一维系统中，它可以看作是自旋荷兰分离的特征。梯子晶格的RIXS光谱的计算是2x8位置哈伯德，包括内壳孔的轨道。使用梯子模型进行了数值对角法。结果表明，当孔被少量掺杂时，RIX频谱几乎没有变化，并且绝缘子的波数依赖性与二维系统形成鲜明对比。在二维系统的情况下，孔的抗铁磁旋转构型迅速被孔折断，而在梯子晶格系统中，相对于涂料，相应的交叉缝隙形成的自旋单重态仍然完好无损。此外，在Cu L吸收边缘谐振无弹性X射线散射中，X射线的吸收和发射是Cu 2p轨道。 L-吸收最终的非弹性散射光谱的主要成分是由所谓的d-d激发引起的激发过程引起的，在开始状态下，在3D（X2Y2）中存在的孔移至其他3D轨道。另一方面，从Zan Rice Singlet带到Cu上Babird Band（Mott Gap激发）的激发，如K-吸收的端端非弹性散射所示，也被认为具有强度很小，但具有特征性的波数依赖性。因此，我们专注于由D-D和Mott Gap激发引起的光谱的波数依赖性。为简单起见，X射线极化仅限于平面上的极化，并且使用CU模型来创建两波段Babird模型。使用具有2p轨道的模型进行簇计算。结果，由于Mott Gap激发的波数比D-D激发的变化更大，因此发现通过检查波数变化的光谱变化，即使在L吸收边缘的无弹性散射中，也可以发现Mott Gap激发引起的光谱。

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