[論文レビュー] Arc-to-pocket transition and quantitative understanding of transport properties in cuprate superconductors

Wojciech Tabiś, Petar Popčević+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、中程度にドーピングされたHgBa₂CuO₄+δにおける平面磁気輸送測定を実施し、高磁場下で弧状のフェルミ表面断片から再構成された電子的性質を示すポケットへの定量的転移を明らかにした。正常状態および再構成状態の両方において、アンムクラップ散乱が主要な準粒子散乱メカニズムであることが特定され、銅酸化物相図全体にわたる輸送の統一的理解が得られた。

ABSTRACT

Despite immense efforts, the cuprate Fermi surface (FS) has been unambiguously determined in only two distinct, low-temperature regions of the phase diagram: a large hole-like FS at high doping, and a small electron-like pocket associated with charge-density-wave driven FS reconstruction at moderate doping. Moreover, there exists incomplete understanding of the reconstructed state, which is stabilized by high magnetic fields, and its connection with the normal state that consists of arc-like remnants of the large underlying FS. Part of the problem is that compound-specific idiosyncrasies, such as disorder effects and low structural symmetry, can obscure the fundamental properties of the quintessential CuO$_2$ planes. Here we present planar magnetotransport measurements for moderately-doped HgBa$_2$CuO$_{4+δ}$ that enable a quantitative understanding of the phase transition between the normal and reconstructed states and of the charge transport in the latter, and that demonstrate that the quasiparticle scattering rate in both states is due to Umklapp scattering. Building on prior insights, we furthermore arrive at a comprehensive understanding of the evolution of the planar transport properties throughout the entire cuprate phase diagram.

研究の動機と目的

• 中程度ドーピングにおける銅酸化物フェルミ表面の長年の曖昧さを解消し、高磁場下での再構成状態の性質を特定すること。
• 正常状態（弧状フェルミ表面）と高磁場下での再構成状態（電子的性質を示すポケット）の間の関係を明確にすること。
• 相転移に伴う輸送特性を定量的に評価し、両状態における主要な散乱メカニズムを同定すること。
• 化合物特有の不純物や低対称性の影響を最小限に抑えて、銅酸化物相図全体にわたる平面輸送を統一的に記述すること。

提案手法

• 低温および高磁場下で単結晶HgBa₂CuO₄+δを用いた平面磁気輸送測定を実施すること。
• 量子振動および磁気抵抗データの解析により、フェルミ表面の位相構造と有効質量を抽出すること。
• 観測された抵抗率の温度依存性および磁場依存性を説明するため、アンムクラップ散乱モデルを適用すること。
• 正常状態（アーキュール）と再構成状態（ポケット）における輸送行動を比較し、普遍的な散乱メカニズムを同定すること。
• 高磁場磁気輸送を用いて再構成状態を安定化・プローブし、正常状態と直接比較可能にする。
• HgBa₂CuO₄+δの高い対称性と低不純度を活かし、外的要因からの影響を除いた、内在的な平面輸送物理を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅酸化物において、弧状フェルミ表面断片から再構成された電子的性質を示すポケットへのフェルミ表面転移の性質は何か？
• RQ2 HgBa₂CuO₄+δにおけるアーキュール〜ポケット転移に伴い、輸送特性はどのように変化するか？
• RQ3 銅酸化物系の正常状態および再構成状態において、主要な準粒子散乱メカニズムは何か？
• RQ4 再構成状態における輸送行動は、どの程度アンムクラップ散乱によって定量的に記述可能か？
• RQ5 HgBa₂CuO₄+δにおける平面輸送は、銅酸化物相図の統一的理解をどのように促進するか？

主な発見

• 高磁場平面磁気輸送を用いた結果、アーキュール状フェルミ表面断片から再構成された電子的性質を示すポケットへの転移が定量的に同定された。
• 正常状態（アーキュール）および再構成状態（ポケット）の両方において、準粒子散乱率がアンムクラップ過程によって支配されており、普遍的な散乱メカニズムであることが示された。
• 再構成状態における準粒子の有効質量は、小さな電子的ポケットと整合的であり、電荷密度波駆動フェルミ表面再構成の存在を確認した。
• 観測された磁気抵抗および量子振動データは、相転移にわたる一貫した輸送像を支持しており、不純物由来の散乱支配の兆候は認められなかった。
• 再構成状態における輸送行動は、アンムクラップ散乱によって定量的に説明可能であり、追加の散乱メカニズムの導入は不要であった。
• 本研究の結果は、銅酸化物相図全体にわたる平面輸送を統一的に理解するフレームワークを提供し、特に正常状態と再構成状態の間のギャップを埋める役割を果たした。