"Electronic and Magnetic Properties of Pure and Structured Cuprate Superconductors"

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden verschiedene hochtemperatur-supraleitende Materialien in einkristallinen und künstlichen Formen mit Hilfe der Raman-Streuung und der Spektral-Ellipsometrie untersucht.

Zunächst werden die optischen Eigenschaften zweier isostruktureller keramischer Verbindungen behandelt. Wir vergleichen supraleitendes YBa₂Cu₃O₇ (Y-123) mit dem antiferromagnetischen Isolator PrBa₂Cu₃O₇ (Pr-123). Der Vergleich des Transfers spektralen Gewichts in verschiedene spektrale Regionen wird verwendet, um die Unterdrückung der supraleitenden Eigenschaften in Pr-123 zu verstehen. In Y-123 beobachten wir eine supraleitungsinduzierte Abnahme der Plasmafrequenz in der Größenordnung eines meV, was uns ein Abschätzen des Anteils der Drude-ähnlichen Ladungsträger ermöglicht, die in das supraleitende Kondensat eingehen.

Außerdem präsentieren wir resonante Raman-Spektren elektronischer und phononischer Anregungen in Einkristallen aus Y-123 und Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (Bi-2212), die mit sichtbarer und ultravioletter Anregungsenergie aufgenommen worden sind. Dafür ist ein neu aufgebautes Raman-Spektrometer verwendet worden --- das "Ultimate Triple 3". Wir beobachten das diffizile Resonanzverhalten der anisotropen Paarbrechungs-Anregung, welche wir als Überlagerung einzelner Komponenten betrachten. Weiterhin diskutieren wir die Elektron-Phonon Wechselwirkungen.

Desweiteren werden Supergitter bestehend aus abwechselnd geschichtetem Y-123 und Pr-123 für verschiedene Schichtdickenverhältnisse untersucht. Im normalleitenden Zustand vergleichen wir die gemessenen mit den modellierten optischen Eigenschaften und finden heraus, daß Drude-ähnliche Ladungsträger in den Schnittstellenbereich zwischen Y-123 und Pr-123 hineindiffundieren.

Wir untersuchen mit Raman Spektroskopie das komplizierte Zusammenspiel elektronischer, phononischer und magnetischer Freiheitsgrade. Im supraleitenden Zustand finden wir eine unerwartete Renormalisierung eines Phonons der Pr-123 Verbindung, die auf einen durch den "Proximity-Effekt" induzierten supraleitenden Ordnungsparameter in die antiferromagnetischen Schichten hinein hinweist. Die magnetischen Freiheitsgrade der Pr-123 Schichten zeigen ein mögliches Zusammenspiel mit dem supraleitenden Ordnungsparameter in Y-123, worauf die Lebensdauerverlängerung der Zwei-Magnonen-Anregung und eine erhöhte Paarbrechungsenergie hinweisen.

Titel

Kurzfassung

Summary

This thesis describes the study of different high-temperature superconducting materials in single crystalline and artificial forms employing the Raman scattering and spectroscopic ellipsometry techniques.

First, the optical properties of two isostructural ceramic compounds, i.e. the superconductor YBa₂Cu₃O₇ (Y-123) and the antiferromagnetic insulator PrBa₂Cu₃O₇ (Pr-123), are compared. We investigate the transfer of spectral weight between different spectral regions in order to gain further insight to the suppression of superconductivity in Pr-123. For Y-123, we observe a superconductivity-induced drop of the plasma frequency in the order of a meV that allows us to estimate the fraction of Drude-like charges that contribute to the superconducting condensate.

Second, resonant-Raman results taken from the visible to the ultraviolet spectral range focussing on the electronic and phononic scattering in Y-123 and Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (Bi-2212) single crystals are presented. The spectra have been acquired with the custom-made "Ultimate Triple 3" spectrometer. We concentrate on the composite nature and the resonance behavior of the anisotropic pair-breaking peak observed for these compounds. We further discuss the electron--phonon interactions.

Third, we investigate superlattices consisting of alternating layers of Y-123 and Pr-123 for different thicknesses of the respective layers. In the normal state, the comparison of the optical properties with the applied models reveals a diffusion of Drude-like charges into the interface region between the Y-123 and the Pr-123 layers.

Finally, the interplay of the electronic, phononic and magnetic degrees of freedom has been studied for the superlattices with Raman scattering. In the superconducting state, we find an unexpected phonon renormalization originating from the Pr-123 layers. This evidences a proximity-induced superconducting order parameter in the antiferromagnetic layers. The magnetic degrees of freedom originating from the Pr-123 layers show a delicate interaction with the superconducting order parameter of the Y-123 layers as indicated by the increase of lifetime of the two-magnon excitation and an enhanced pair-breaking energy.