[論文レビュー] Anisotropic dressing of charge-carriers in the electron-doped cuprate superconductor Sm(1.85)Ce(0.15)CuO(4) from angle-resolved photoemission measurements

A. F. Santander-Syro, Takeshi Kondo+9 more|ArXiv.org|Mar 19, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、電子ドーピングされた銅酸化物Sm1.85Ce0.15CuO4における異方的多数体相互作用を明らかにした。ゾーン対角に沿う散乱率は、500 meVまで結合エネルギーに比例して増加するのに対し、ゾーン辺に沿う散乱率は200 meVを超えると飽和する。これは、強い分散性を持つ励起状態への運動量依存性電子結合を示している。この異方性は、異なる運動量領域における電子ボソン結合メカニズムの相違を示唆し、銅酸化物における超伝導の理解に寄与する。

ABSTRACT

Angle-resolved photoemission measurements on the electron-doped cuprate Sm(1.85)Ce(0.15)CuO(4) evidence anisotropic dressing of charge-carriers due to many-body interactions. Most significantly, the scattering rate along the zone boundary saturates for binding energies larger than ~200 meV, while along the diagonal direction it increases nearly linearly with the binding energy in the energy range ~150-500 meV. These results indicate that many-body interactions along the diagonal direction are strong down to the bottom of the band, while along the zone-bounday they become very weak at energies above ~200 meV.

研究の動機と目的

• 電子ドーピングされた銅酸化物、特に最適ドーピングされたSm1.85Ce0.15CuO4における運動量依存性多数体相互作用を調査すること。
• ブリユアンゾーン内の異なる運動量方向における電子散乱率の異方性を解明すること。
• 電子ドーピング系において、ゾーン対角領域とゾーン辺領域との間で電子ボソン結合メカニズムが顕著に異なるかどうかを明確にすること。
• 電子ドーピングされた銅酸化物における観測された散乱率の挙動を、特にキーンク構造とエネルギー依存性自己エネルギーに関して、穴ドーピング系と比較すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）は、シンクロトロン放射線センターおよびスイス光科学研究所を用いて実施された。55 eVの光子を用い、エネルギー分解能はそれぞれ30 meVおよび20 meVであった。
• 超高真空（6×10⁻¹¹ Torr未満）下で11 Kでイン・スイート試料切断を実施し、高品質な表面状態を確保した。
• スペクトルデータを分析して、ゾーン辺（ZE）およびゾーン対角（D）方向に沿う準粒子分散およびエネルギー依存性散乱率（1/τ）を抽出した。
• 単一バンドタイトブリンクモデルをフェルミ面および高エネルギー準位構造にフィットさせ、バンドパラメータを抽出し、反強磁性フォールディングの存在を確認した。
• スペクトル線形形状から自己エネルギー成分を抽出し、虚数部Σ''を用いて散乱率1/τを決定した。
• 再現性を確認するため、3つの独立して調製された単結晶を用いてデータを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブリューッゾーン内の異なる領域における電子ドーピング銅酸化物Sm1.85Ce0.15CuO4における散乱率（1/τ）の運動量依存性はどのように変化するか？
• RQ2 ゾーン対角およびゾーン辺に沿う散乱率のエネルギー依存性は何か？ これは、背後にある電子ボソン結合に何を示唆するか？
• RQ3 なぜゾーン辺に沿って約200 meVを超えると散乱率が飽和するのに対し、ゾーン対角に沿っては線形に増加し続けるのか？
• RQ4 電子ドーピング銅酸化物におけるこの異方的多数体効果は、穴ドーピング銅酸化物と比較して、キーンク構造および自己エネルギー挙動の観点からどのように異なるか？
• RQ5 観測されたエネルギースケール（約70 meVおよび約150 meV）の物理的起源は何か？ また、赤外分光法やトンネル分光とどのように関連しているか？

主な発見

• ゾーン対角に沿う散乱率は、約150から500 meVの範囲で結合エネルギーにほぼ比例して増加し、バンド下端まで強いエネルギー依存性電子ボソン結合を示している。
• ゾーン辺に沿う散乱率は、約200 meVを超えると飽和し、このエネルギー以降は弱いか、エネルギーに依存しない散乱メカニズムであることを示している。
• ゾーン対角に沿って約150 meVにキーンクが観測され、散乱率にも同様の特徴が確認され、ボソンモードへの結合を裏付けている。
• ゾーン辺に沿って200 meV以上でエネルギーに依存しない自己エネルギーが得られ、これはローレンツ線形形状を示し、EDC幅と1/τの一致によって裏付けられた。
• 散乱率の観測された異方性は、強い分散性を持つ励起状態への運動量依存性結合を示しており、ゾーン対角では強い相互作用、ゾーン辺では弱い相互作用が見られる。
• 本結果は、電子ドーピングおよび穴ドーピング銅酸化物の両方で共通の電子ボソン結合メカニズムが存在する可能性を示唆しており、電子ドーピング系のゾーン辺物理は穴ドーピング系とは顕著に異なる。