Cuprates superconductors represent the foremost challenge in condensed matter physics, since their discovery in 1986. They show indeed an incredibly high critical temperature, which can reach 135 K at atmospheric pressure. The phase diagram of cuprates is complex and presents puzzling regions, whose nature is still under debate. Among them, the present work is focused on the pseudogap (PG). Superconductivity is always accompanied by an energy gap appearing below Tc and reaching its maximum value at zero kelvin. In conventional superconductors, the gap has s-wave symmetry, if not perfectly isotropic. On the contrary, in cuprates it has d-wave symmetry. Moreover, an additional gap, insisting only on a fraction of the Fermi surface, is present even above Tc: it is called pseudogap. The opening of the PG is marked by an onset temperature T*. However, the nature of this transition is debated: is it a real phase transition or does a smooth crossover occur? A definitive experimental assessment is still missing, and new techniques capable of exploring this issue are more than welcome. RIXS has been demonstrated to be sensitive to the opening of the SC gap, which manifests itself as a spectral weight depletion in the low energy region. However, the SC gap and pseudogap opening effects are momentum dependent, due to the anisotropy of the two. Thus the choice of a promising momentum point (q) in which to concentrate experimental attention is crucial. We developed a Matlab code based on the Lindhard function to simulate the charge contribution to RIXS spectra. We calculated the imaginary part of charge response in YBCO, in order to guide the RIXS experiments searching for the best q-points for the determination of both Tc and T*. Based on those calculations, for a slightly overdoped YBCO sample we collected a set of RIXS spectra at different temperatures. The experimental results confirm the favourable choice of the q-point, within the experimental error: the depletion effects can be indeed identified both for the pseudogap, with a T*around 130 K, and for the SC gap, with a Tc around 90 K.
Fin dalla loro scoperta nel 1986, i cuprati superconduttori rappresentano la sfida più affascinante nel campo della fisica della materia condensata. Mostrano infatti una temperatura critica (Tc) notevolmente elevata, che può raggiungere i 135 K a pressione atmosferica. Il diagramma delle fasi dei cuprati è articolato e presenta regioni la cui fisica ancora non è stata chiarita. Tra queste, il presente lavoro si concentra sulla regione di pseudogap. La superconduttività è sempre accompagnata da una gap energetica (SC gap) che si manifesta sotto Tc ed è massima a zero Kelvin. Nei cuprati, la SC gap è corredata da una gap ulteriore, detta pseudogap, presente anche sopra Tc solo in una frazione della superficie di Fermi e la cui chiusura è segnata dalla temperatura T*. La natura di quest’ultimo fenomeno è incerta: si tratta di una vera transizione di fase o, piuttosto, di una graduale scomparsa della pseudogap? Una risposta univoca non è ancora possibile fornirla e, per questo, la diffusione di nuove tecniche in grado di aiutare la comprensione di questi fenomeni è necessaria. E’ stato recentemente dimostrato come il RIXS sia una tecnica sensibile all’apertura della SC gap, evidenziata da uno svuotamento di peso spettrale nella regione di bassa energia. Tuttavia, gli effetti di apertura di una gap nello spettro RIXS sono fortemente dipendenti dal momento (q), a causa dell’anisotropia che caratterizza sia la SC gap che la pseudogap. Di conseguenza, risulta fondamentale la scelta del q su cui concentrare l’attenzione durante l’esperimento. Abbiamo quindi sviluppato un codice Matlab che simuli la componente di carica negli spettri RIXS, basandoci sulla funzione di Lindhard. Con l’obiettivo di guidare la scelta del q ottimale per la determinazione di Tc e T*, abbiamo calcolato la parte immaginaria della suscettività di carica per il YBCO e, alla luce dei risultati, abbiamo preso una collezione di spettri RIXS a diverse temperature, per un campione di YBCO leggermente sovra-dopato. I risultati confermano la buona scelta di q: l’effetto di svuotamento è presente sia per la pseudogap, con una T* di circa 130 K, che per la SC gap, con una Tc di circa 90 K.
Temperature dependence of charge excitations in RIXS spectra of superconducting cuprates
Merzoni, Giacomo
2020/2021
Abstract
Cuprates superconductors represent the foremost challenge in condensed matter physics, since their discovery in 1986. They show indeed an incredibly high critical temperature, which can reach 135 K at atmospheric pressure. The phase diagram of cuprates is complex and presents puzzling regions, whose nature is still under debate. Among them, the present work is focused on the pseudogap (PG). Superconductivity is always accompanied by an energy gap appearing below Tc and reaching its maximum value at zero kelvin. In conventional superconductors, the gap has s-wave symmetry, if not perfectly isotropic. On the contrary, in cuprates it has d-wave symmetry. Moreover, an additional gap, insisting only on a fraction of the Fermi surface, is present even above Tc: it is called pseudogap. The opening of the PG is marked by an onset temperature T*. However, the nature of this transition is debated: is it a real phase transition or does a smooth crossover occur? A definitive experimental assessment is still missing, and new techniques capable of exploring this issue are more than welcome. RIXS has been demonstrated to be sensitive to the opening of the SC gap, which manifests itself as a spectral weight depletion in the low energy region. However, the SC gap and pseudogap opening effects are momentum dependent, due to the anisotropy of the two. Thus the choice of a promising momentum point (q) in which to concentrate experimental attention is crucial. We developed a Matlab code based on the Lindhard function to simulate the charge contribution to RIXS spectra. We calculated the imaginary part of charge response in YBCO, in order to guide the RIXS experiments searching for the best q-points for the determination of both Tc and T*. Based on those calculations, for a slightly overdoped YBCO sample we collected a set of RIXS spectra at different temperatures. The experimental results confirm the favourable choice of the q-point, within the experimental error: the depletion effects can be indeed identified both for the pseudogap, with a T*around 130 K, and for the SC gap, with a Tc around 90 K.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/183625