Bi2-xPbxSr2CaCu2O8+δ의 포논 선 모양에 대한 라만 연구

Abstract

Electron-phonon coupling is one of the strong candidates which can explain the mechanism of high-temperature superconductivity. In 2018, an electron-phonon coupling of a high-temperature superconductor, Bi2Sr2CaCu2O8+δ, was investigated using the angle resolved photoemission spectroscopy, and it observed that B1g buckling phonon plays a role in increasing superconducting transition temperature (Tc). Furthermore, substantial electron-phonon coupling of A1g in-phase phonon mode was observed by using time-resolved angle resolved photoemission spectroscopy in 2019. This has made it important to study electron-phonon coupling of B1g buckling phonon and A1g in-phase phonon in Bi2Sr2CaCu2O8+δ system by Raman spectroscopy. For this reason, we investigates the electron-phonon coupling of B1g buckling and A1g in-phase phonons in Bi2Sr2CaCu2O8+δ by using Raman spectroscopy. Imaginary parts of self-energy of the B1g buckling mode becomes bigger below Tc than above Tc in the condition of ５４ Ω/2Δ~1, where Δ is the size of the superconducting gap, and Ω is the frequency of the phonon. Also, we observed anomalous tendency of line-width and frequency in both of B1g buckling phonon and A1g inphase phonon due to superconducting gap effect. In addition, effect on the phonon line-shape due to superstructure was investigated to explain the reason why line-width of B1g buckling phonons of Bi2Sr2CaCu2O8+δ was greater than that of other cuprates. The effects of the superstructure were studied by comparing with Pb doped Bi2Sr2CaCu2O8+δ. In Pb doped sample, we newly observed the disappearance of the 320cm-1 ~390cm-1 A1g phonons and interpreted it as those phonons are being generated by the effects of superstructure. Furthermore, we found that the line-width of the three (B1g buckling Mode, A1g Cu c-axis Mode, and A1g OBi Mode) was affected by Pb doping, and the results were interpreted using superstructure and impurity effects. Finally, we present the possibility that the superstructure can have effect on enhancing electron- phonon coupling from our experimental observations about symmetrical changes in the shape of the B1g buckling phonon with Pb doping.

전자-포논 커플링은 아직까지 밝혀지지 않고 있는 고온 초전도 현상의 메커니즘을 설명할 수 있는 강력한 후보 중 하나다. 2018년, 각분해 광전자 분광법을 이용하여 구리산화물 초전도물질인 Bi2Sr2CaCu2O8+δ의 전자-포논 커플링을 조사한 결과, B1g 좌굴 포논이 초전도 임계온도를 높이는 역할을 한다는 주장이 제기되었다. 또한, 2019년 시간분해 광전자 분광법을 이용하여 Bi2Sr2CaCu2O8+δ에서 실험적으로 보고된 적 없는 A1g 위상 맞음 포논의 전자-포논 커플링이 관측되었다. 이로써 B1g 좌굴 포논과 A1g 위상 맞음 포논에 대한 전자포논 커플링 연구가 중요해졌다. 이를 계기로, 이 논문에선 B1g와 A1g 포논의 전자-포논 커플링을 라만을 이용해 연구한 결과를 보고한다. B1g 좌굴 모드의 경우, 포논의 자체 에너지의 허수부가 Ω/2Δ~1 조건에 가까워질수록 커지는 효과를 도핑 별 포논의 선폭을 이용하여 확인하였다. (여기서, Ω는 포논의 진동수, Δ는 초전도 갭의 크기를 의미한다.) 또한, B1g 좌굴 모드와 A1g Cu c축 모드에 대해 Tc 근처에서 초전도 갭으로 인해 포논의 선폭과 진동수가 변칙적인 경향성 갖는 것을 확인하였다. 추가로, Bi2Sr2CaCu2O8+δ의 B1g 포논의 선폭이 다른 구리산화물 물질들에 비해 큰 원인을 알아보기 위해 초구조가 포논들의 선모양에 끼치는 영향에 대해 조사를 하였다. 초구조의 영향은 Pb 도핑으로 인해 초구조가 줄어든 시료와 도핑하지 않은 시료를 비교하는 것을 통해 조사하였다. Pb 도핑 시, 320cm-1~390cm -1 사이에 존재하는 A1g 방향의 포논이 사라지는 것을 새롭게 관측하였으며, 이를 통해 해당 포논들이 초구조의 효과로 생성되는 것으로 해석하였다. 또한, 세가지 (B1g 좌굴모드, A1g Cu c-축 모드, A1g OBi 모드) 포논의 선폭이 Pb 도핑에 영향을 받는 것을 확인하였고, 이러한 결과를 초구조 및 불순물 효과를 이용하여 해석하였다. 마지막으로, Pb를 도핑할 시 B1g 좌굴 포논의 선모양이 대칭적으로 변화하는 것을 통해 초구조가 전자-포논 커플링을 증가시키는 효과가 있을 가능성을 제시하였다.