Advanced analysis of polarization resolved RIXS spectra of YBa2Cu3O6+δ

The capability to resolve the horizontal (H or π) and vertical (V or σ) linear polarization components by the use of a polarimeter multilayer (ML) in soft resonant inelastic xray scattering experiments (RIXS) at the Cu L3 edge have enabled the possibility of discriminating between the charge and magnetic character of excitations in cuprates. Here we report on the advanced data analysis conducted on polarization resolved spectra of YBa2Cu3O6+δ (YBCO) measured at the ESRF’s ID32 beamline. With the recent upgrade of the undulators we have reached an unprecedented resolution, making the spectra a lot more sensitive to the small perturbations. This called for the need of a new software in addition to the RIXStoolbox, already in use in the beamline for the polarimetric data analysis. The new software has been developed in Matlab and tested in order to define a method to be applied systematically on polarimetric spectra for a correct polarization decomposition. This allowed us to assess and confirm the reliability of the measurement process of polarization resolved RIXS spectra. With the improved performances of the new software we could determine a low energy crossed (associated to a 90° change between the incident and the scattered photon polarization) peak we believed to be elastic, to actually have an energy of ∼ 24 meV. We argue it corresponds to a crossed phonon mode excited only with incident V polarization. Such behaviour is not predicted by the single ion RIXS model, which, even though simple and reliable in many other cases, proves its inability to explain the finer details of low energy excitations in cuprates.

La capacità di separare le componenti di polarizzazione lineare orizzontale (H o π) e verticale (V o σ) mediante l’uso di un polarimetro multilayer (ML) in esperimenti di resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) all’edge di assorbimento L3 del rame, ha permesso di poter identificare e distinguere chiaramente tra eccitazioni di carica ed eccitazioni magnetiche nei cuprati. In questa tesi si riporta l’avanzata analisi dati condotta sugli spettri risolti in polarizzazione misurati sulla beamline ID32 dell’ESRF da campioni di YBa2Cu3O6+δ (YBCO). Con il recente aggiornamento degli ondulatori abbiamo raggiunto una risoluzione senza precedenti, rendendo gli spettri molto più sensibili alle piccole perturbazioni. A causa di ciò si è reso necessario sviluppare un nuovo software in aggiunta al RIXStoolbox, già in uso nella beamline per l’analisi dei dati polarimetrici. Il nuovo software è stato sviluppato in Matlab e testato per definire un metodo da applicare sistematicamente sugli spettri polarimetrici per una corretta decomposizione della polarizzazione. Questo ci ha permesso di valutare e confermare l’affidabilità del processo di misurazione degli spettri RIXS risolti in polarizzazione. Con le prestazioni migliorate del nuovo software abbiamo potuto determinare che un picco crossed in zona elastica, che ritenevamo potesse essere frutto di un errore nel processo di misurazione, sia localizzato ad energia di circa 24 meV e che possa essere associato all’eccitazione di un fonone crossed, ovvero associata ad un cambio di 90° della polarizzazione scatterata rispetto a quella incidente. Abbiamo dimostrato inoltre che tale fonone può essere eccitato soltanto con polarizzazione entrante verticale. Un simile comportamento non è previsto dal modello a singolo ione RIXS, che, sebbene semplice e affidabile in molti altri casi, dimostra la sua incapacità di spiegare i dettagli più fini delle eccitazioni di bassa energia nei cuprati.