Resonant and high-energy X-ray scattering studies on strongly correlated electron systems in transition metal oxides

Abstract

The strongly correlated electron systems in Ca_{2-x}Sr_xRuO_4, RuSr_2GdCu_2O_8 and YBa_2Cu_3O_{6+x} transition metal oxides were investigated with resonant and high-energy x-ray scattering techniques. The main results and conclusions of the work are briefly summarized in the following.

Single crystals of Ca_2RuO_4 and Ca_{1.9}Sr_{0.1}RuO_4 were investigated with resonant x-ray diffraction at the Ru LII and LIII absorption edges, i.e. at photon energies E=2.968 keV and E=2.838 keV, respectively. At the magnetically allowed (1 0 0) and (0 1 1) reciprocal space positions a new ordered phase was discovered above the magnetic phase transition at T_N=110 K. The scattering from this phase has a strongly resonant character, with non-zero intensity only at energies very close to the absorption edges. It is observed exclusively in the sigma-pi polarization channel, hence is characterized by a polarization which is parallel to the scattering plane. The scattering intensity in the new phase decreases smoothly with increasing temperature, without showing any anomalies, and vanishes at a phase transition at approximately 260 K. Based on the polarization and temperature dependences, as well as on complementary muon spin rotation measurements, which indicate no ordered magnetic moment above the Néel temperature, we can draw the conclusion that the resonant scattering in the new phase originates from the ordering of the Ru 4d orbitals. The orbital ordering phase transition is also observed in the strontium-doped Ca_{1.9}Sr_{0.1}RuO_4 system, but at a lower temperature of approximately 130 K. The propagation vector of the orbital order remains unchanged in the doped compound, despite the change of the magnetic structure. Furthermore, an additional resonant signal was observed in both investigated Ca_{2-x}Sr_xRuO_4 systems at the (1 1 0) position, which is forbidden both magnetically and by the space-group. The intensity of this signal decreases smoothly with increasing temperature with no anomalies up to the metal-insulator transition. Based on the temperature and polarization dependences of the scattering intensity at (1 1 0), this can be attributed to the tilt order of the RuO_6 octahedra.

Micrometer-sized single crystals of RuSr_2GdCu_2O_8 were investigated with resonant x-ray diffraction at the Ru LII absorption edge. Based on the azimuthal dependence of the scattering intensity at the (1/2 1/2 1/2) magnetic position, the exact direction of the magnetic moment in the material could be determined. The magnetic moment was found to be aligned not along the crystallographic c-direction, as initially suggested by neutron scattering investigations, but instead along a direction which forms an angle of approximately 53 degrees with the c-axis. In addition, the magnetic order parameter of the Ru spin-system was determined. The experimental data indicate a possible influence of the onset of superconductivity on the magnetic order parameter, but this is still to be confirmed.

Single crystals of underdoped, optimally doped and overdoped YBa_2Cu_3O_{6+x}, as well as stoichiometric YBa_2Cu_4O_8, were investigated with high-energy non-resonant x-ray diffraction at photon energies of 100 keV and 115 keV. A new superstructure with periodicity equal to four unit cells was discovered in optimally doped YBa_2Cu_3O_{6.92} and overdoped Y_{0.8}Ca_{0.2}Ba_2Cu_3O_{6.95}. The superstructures are practically identical in the two compounds, which have almost the same oxygen content, but very different charge carrier concentrations. This indicates that the superstructures do not originate from electronic stripes in the CuO_2 planes, but rather from oxygen vacancy ordering in the Cu-O chains. This conclusion is supported by two more independent observations: the persistence of the superstructures up to temperatures well above room temperature; and the absence of diffuse scattering features in the stoichiometric YBa_2Cu_4O_8 compound, which contains no oxygen vacancies and should therefore make the observation of stripes easier. If such stripes do exist in YBa_2Cu_3O_{6+x}, then the intensity of the associated diffuse features must be at least one order of magnitude smaller than that of the aboved described signatures of oxygen order. The comparison of the diffuse scattering patterns of YBa_2Cu_3O_{6.92} samples containing different oxygen isotopes (O-16 vs. O-18) revealed that these are identical. This means that variations in the oxygen order in the Cu-O chains cannot be responsible for isotope effects reported in previous work on this material.

Die stark korrelierten Elektronensysteme in den Übergangsmetalloxiden Ca_{2-x}Sr_xRuO_4, RuSr_2GdCu_2O_8 und YBa_2Cu_3O_{6+x} wurden mit Hilfe von resonanter beziehungsweise hochenergetischer Röntgenbeugung untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit werden im Folgenden zusammengefasst.

Einkristalle der Verbindungen Ca_2RuO_4 und Ca_{1.9}Sr_{0.1}RuO_4 wurden mittels resonanter Röntgenbeugung an den Ru LII und LIII Absorptionskanten (E=2.968 keV beziehungsweise 2.838 keV) untersucht. An den magnetisch erlaubten Positionen (1 0 0) und (0 1 1) im reziproken Raum wurde oberhalb des magnetischen Phasenübergangs bei T_N=110 K eine neue Phase entdeckt. Die gestreute Intensität wird durch eine gedrehte Strahlungspolarisation gekennzeichnet, die parallel zur Streuebene ist, senkrecht zum Polarisationsvektor der einfallenden Strahlung. Die Temperaturabhängigkeit der Streuintensität in der neuen Phase weist keine Anomalien auf, sondern zeigt bei steigender Temperatur einen langsamen Abfall bis zu einem Phasenübergang bei ungefähr 260 K. Anhand der Polarisations- und Temperaturabhängigkeiten, sowie ergänzender Muonspinrotationsmessungen, die kein geordnetes magnetisches Moment oberhalb der Néel-Temperatur angedeutet haben, kann der Schluss gezogen werden, dass die Orbitalordnung der Ursprung der Streuintensität in der neuen Phase ist. Der Orbitalordnungsphasenübergang ist auch im strontiumdotierten Ca_{1.9}Sr_{0.1}RuO_4 System zu beobachten, allerdings bei einer niedrigeren Temperatur von ungefähr 130 K. Trotz der Änderung der magnetischen Struktur bleibt der Ausbreitungsvektor der Ordnung in der dotierten Verbindung unverändert. Des Weiteren wurde in beiden untersuchten Ca_{2-x}Sr_xRuO_4 Systemen ein zusätzliches Resonanzsignal an der (1 1 0) Position beobachtet, die Anhand der Temperatur- und Azimutwinkelabhängigkeiten auf die Tiltordnung der RuO_6 Oktaeder zurückzuführen ist.

Das Hybridsystem RuSr_2GdCu_2O_8 wird durch die seltene Koexistenz langreichweitiger magnetischer Ordnung und Supraleitung in seiner Einheitszelle charakterisiert. Kleine Einkristalle des Materials mit Größe um die 50 Mikrometer wurden mittels resonanter Röntgenbeugung an der Ru LII Absorptionskante untersucht. Anhand der Azimutwinkelabhängigkeit der Resonanzintensität an der magnetischen (1/2 1/2 1/2) Position konnte die Richtung des magnetischen Moments im Material genau bestimmt werden. Es wurde insbesondere gefunden, dass das magnetische Moment nicht entlang der kristallographischen c-Richtung orientiert ist, wie ursprünglich anhand von Neutronenbeugungsuntersuchungen vorgeschlagen, sondern entlang einer Richtung, die ungefähr 53 Grad von der c-Achse entfernt ist. Des Weiteren wurde der magnetische Ordnungsparameter des Ru Spinsystems temperaturabhängig verfolgt. Dabei hat sich gezeigt, dass der Einbruch der Supraleitung möglicherweise einen Einfluss auf die magnetische Ordnung hat, was allerdings noch zu bestätigen ist.

Der Hochtemperatursupraleiter YBa_2Cu_3O_{6+x} wurde oft in Hinblick auf die langanhaltende Diskussion über die mögliche Entstehung von sogenannten Streifen-Phasen (stripes) in Kupraten und ihre Rolle bei der Etablierung von Supraleitung untersucht. Unterschiedlich dotierte YBa_2Cu_3O_{6+x}, sowie stoichiometrische YBa_2Cu_4O_8 Einkristalle, wurden mittels hochenergetischer nicht-resonanter Röntgenbeugung bei Photonenenergien von 100 keV beziehungsweise 115 keV untersucht. Eine neue Überstrukturphase mit einer Periodizität von vier Elementarzellen wurde im optimal dotierten YBa_2Cu_3O_{6.92} und im überdotierten Y_{0.8}Ca_{0.2}Ba_2Cu_3O_{6.95} entdeckt. Die Überstrukturreflexe sehen in beiden Verbindungen, die praktisch den gleichen Sauerstoffgehalt aber sehr unterschiedliche Ladungstragerkonzentrationen haben, fast identisch aus. Dies weist darauf hin, dass die Überstrukturen nicht auf Streifen, sondern auf die Sauerstoffordnung zurückzuführen sind. Dieser Schluss wird von zwei zusätzlichen Beobachtungen unterstützt: das Weiterbestehen der Überstrukturen bis zu Temperaturen deutlich höher als Raumtemperatur; und die Abwesenheit der Überstrukturen im stoichiometrischen YBa_2Cu_4O_8 Material, das keine Sauerstofflücken enthält und deshalb die Beobachtung von Streifen erleichtern sollte. Sollten solche Stripes elektronischer Natur in YBa_2Cu_3O_{6+x} existieren, müsste die Intensität der entsprechenden Reflexe um mindestens eine Größenordnung kleiner sein als die der oben beschriebenen Überstrukturreflexe der Sauerstoffordnung. Durch den Vergleich der Streuintensitäten der Überstrukturreflexe von YBa_2Cu_3O_{6.92} Proben, die unterschiedliche Sauerstoffisotope enthalten (O-16 vs. O-18), wurde des Weiteren festgestellt, dass diese identisch sind. Dies bedeutet, dass Änderungen in der Sauerstoffordnung in den Cu-O Ketten nicht für Isotopeffekte in diesem Material verantwortlich sein können.