[論文レビュー] Change in sign of the Hall coefficient from Fermi surface curvature in underdoped high Tc copper oxide superconductors

N. Harrison, Suchitra E. Sebastian|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2015

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

ひとこと要約

本稿では、ドーピング不足の高Tcカルコパイライト系におけるホール係数の符号反転が、電荷秩序によって形成されるダイヤモンド型の電子パケットのフェルミ面の曲率に起因するものであり、複数のフェルミ面パケットによるものではないと提案する。均一な散乱時間を仮定したショックレー・チャンバーズの管積分法を用いることで、単一パケットフレームワーク内で、観測された符号反転、正の磁気抵抗、およびホール係数の量子振動——正規状態輸送の主要な特徴——を再現する。

ABSTRACT

It has recently been proposed that the Fermi surface of underdoped high Tc copper oxide materials within the charge-ordered regime consists of a diamond-shaped electron pocket constructed from arcs connected at vertices. We show here that on modeling the in-plane magnetotransport of such a Fermi surface using the Shockley-Chambers tube integral approach and a uniform scattering time, several key features of the normal state in-plane transport of the underdoped copper oxide systems can be understood. These include the sign reversal in the Hall coefficient, the positive magnetoresistance and magnetic quantum oscillations in the Hall coefficient.

研究の動機と目的

• ドーピング不足の高Tcカルコパイライト系における低温での実験的観測されたホール係数の符号反転を説明すること。
• フェルミ面の曲率のみが、ホール係数の磁場および温度依存性を説明できるかどうかを調査すること。
• 電荷秩序によって生じる単一のダイヤモンド型の電子パケットが、正の磁気抵抗およびホール係数の量子振動を再現できるかどうかを検証すること。
• 熱容量および量子振動データなどの補足的測定結果と、モデルの整合性を評価すること。
• 散乱時間の変動およびフェルミ速度の異方性が、曲がったフェルミ面パケットにおけるホール応答に与える影響を評価すること。

提案手法

• ショックレー・チャンバーズの管積分法を、ダイヤモンド型の電子フェルミ面パケットに対して、単一で均一な散乱時間モデルに適用する。
• 時間に依存する積分を用いて、フェルミ速度および散乱時間に沿ったパケットの軌道に沿って、対角成分（σxx）および非対角成分（σxy）の導電率を計算する。
• ホール係数RHは、任意の磁場下での全導電率テンソルから導かれる式RH = (1/B) × σxy / (σxy² + σxx²) により計算する。
• フェルミ速度成分vxおよびvyは、時間tおよび弧の角度αの関数としてパラメータ化され、ダイヤモンド幾何学に従う周期的境界条件を反映する。
• RHの量子振動は、フェルミの黄金律および状態密度の振動に基づき、散乱時間τ⁻¹を振動的形τ̃⁻¹ ≈ (1 + 2cos(2πF/B − π)e⁻π/ωτ)τ⁻¹に置き換えることでモデル化する。
• YBa₂Cu₃O₆₊ₓ、YBa₂Cu₄O₈、HgBa₂CuO₄₊δからの実験データと比較することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング不足のカルコパイライト系におけるホール係数の符号反転は、単一のダイヤモンド型の電子パケットにおけるフェルミ面の曲率によって説明可能か？
• RQ2 均一な散乱時間を仮定したショックレー・チャンバーズ形式が、正規状態における観測された磁気抵抗およびホール係数の挙動を再現できるか？
• RQ3 複数のフェルミ面パケットを仮定せずに、単一の曲がったフェルミ面パケットからホール係数の量子振動が生じるか？
• RQ4 ダイヤモンド型パケットの曲がり角αが、ホール係数の大きさおよび符号に与える影響は何か？
• RQ5 本モデルは、YBa₂Cu₃O₆₊ₓにおける散乱時間、有効質量、ディングル温度の実験データと整合性を示すか？

主な発見

• モデルは、YBa₂Cu₃O₆₊ₓ、YBa₂Cu₄O₈、HgBa₂CuO₄₊δにおける実験データと一致するように、低温でホール係数の符号反転（正から負）を再現する。
• ホール係数は、高磁場領域で飽和する磁場依存性を示し、高磁場極限では−1/enに近づく。これは単一の電子パケットに一致する。
• 正の磁気抵抗ρxxは、モデル内で自然に再現され、ダイヤモンド型パケットの曲がり角αが大きいほど増加する。
• 散乱時間τ⁻¹を振動的形τ̃⁻¹に置き換えた場合、ホール係数の量子振動が予測され、αが大きい場合には振幅がRHの顕著な割合に達する。
• 散乱時間τ⁻¹（Dingle温度として近似）を用いた温度依存性の説明により、実験的RH(T)データと定性的に一致する。
• 散乱時間τ⁻¹を空間的に変化させる（頂点付近で減少）と、RHへの負の寄与が減少し、実験的傾向に一致するように、より小さいα値で符号反転が実現される。