Neutron scattering studies of doped cuprates: Na8Cu5O10 and YBa2Cu3O6+x

Abstract

High temperature superconductivity is one of the most amazing features in modern solid state physics. And the mechanism being responsible for forming the Cooper pairs in the doped high Tc cuprates is still controversial. A majority of scientists believes that this formation is due to antiferromagnetic fluctuations, whereas others are convinced that phonons at least need to be considered for a full understanding of this formation. In any case there exist very interesting superconductivity-induced phonon effects. This PhD thesis will add a new anisotropic phonon effect, a transfer of spectral weight at Tc between the buckling phonon mode and an apical phonon mode. The buckling mode is especially interesting as it supports d-wave superconductivity. Until now superconductivity-induced phonon effects could be described by considering the phonon self-energy. The effect described here involves the eigenvectors of the phonons and hence we observed unusual electron-phonon interaction, which might be interesting for the mechanism of the cuprates. There are also cuprates that remain insulators upon doping. Doped 1D edge-sharing spin chains belong to these materials. Up to now two different systems with doped edge-sharing spin chains have been investigated: (La, Y, Sr, Ca)14Cu24O41 and Ca2Y2Cu5O10 . However, the magnetic structure of these materials is strongly influenced by lattice incommensurabilities and substitutional disorder. Recently a new edge-sharing 1D spin chain compound Na8Cu5O10 being hole doped has been synthesized at MPI for Solid State Research. This compound has a commensurate lattice structure and no substitutional disorder in spite of doping. In particular, it has commensurate charge order. Due to a refinement of our neutron scattering data on that compound, we could show that its magnetic ground state is a charge density wave with a commensurate propagation vector along the chains and an incommensurate perpendicular to the chains. We explain this incommensurability due to inter-chain interactions between different frustrated spin chains in that compound.

Die Hochtemperatursupraleitung ist eines der erstaunlichsten Phänomene in der modernen Festkörperphysik. Allerdings wird der Mechanismus, der zu den Cooperpaaren führt, immer noch kontrovers diskutiert. Eine Mehrheit der Wissenschaflter glaubt, dass diese Bildung auf antiferromagnetischen Fluktuationen beruht. Andere sind dagegen davon überzeugt, dass Phononen für eine vollständige Beschreibung der Bildung von Cooperpaaren auch berücksichtigt werden müssen. In jedem Fall gibt es aber interessante supraleitungsinduzierte Phononeneffekte in den Kupraten. Diese Doktorarbeit fügt den bekannten Effekten einen weiteren hinzu: den Transfer von Spektralgewicht von der Bucklingmode zu einer apikalen Sauerstoffmode bei Tc. Bisher wurden supraleitungsinduzierte Effekte mit Hilfe der Eigenenergie des Phonons beschrieben. Der Effekt, der hier beschrieben wird, verändert die Eigenvektoren der Phononen. Daher handelt es sich um ungewöhnliche Elektron-Phonon-Wechselwirkung. Es gibt außerdem Kuprate, die isolierend bleiben, wenn sie dotiert werden. Zu diesen Materialien gehören auch dotierte eindimensionale "Kanten-teilende"-Spinketten. Bisher wurden zwei unterschiedliche Systeme mit diesen Ketten untersucht: (La, Y, Sr, Ca)14Cu24O41 und Ca2Y2Cu5O10. Allerdings werden in diesen Materialien die magnetischen Eigenschaften stark von strukturellen Inkommensurabilitäten und von Unordnung bestimmt. Kürzlich wurde am MPI für Festkörperphysik eine neue Substanz entdeckt, welche ebenfalls "Kanten-teilende"-Spinketten enthält. Diese Substanz heißt Na8Cu5O10 und weist trotz Dotierung keine strukturellen Inkommensurabilitäten und keine Unordnung auf. Insbesondere hat sie eine kommensurable Ladungsordnung. Aufgrund einer Verfeinerung unserer Neutronenstreudaten an dieser Substanz konnten wir zeigen, dass der magnetische Grundzustand eine Spindichtewelle ist. Diese hat entlang der Spinketten einen kommensurablen Propagationsvektor und rechtwinklig dazu einen inkommensurablen. Wir erklären diese Inkommensurabilität mit der vorhandenen Wechselwirkung zwischen benachbarten frustrierten Spinketten.